Table of Contents

Введение

Мировые океаны являются массивным резервуаром тепла, поглощающим более 90 процентов избыточного тепла, поглощаемого парниковыми газами. Эта накопленная энергия не остается на месте; она постоянно взаимодействует с атмосферой, приводит в движение погодные условия, формирует климатические зоны и влияет на долгосрочные климатические сдвиги. Понимание того, как температура океана и атмосферные условия влияют друг на друга, имеет важное значение для улучшения прогнозов погоды, прогнозирования сезонных климатических явлений и прогнозирования будущих последствий изменения климата.

Эта связь не является односторонней. В то время как температура океана влияет на атмосферное давление, ветер и осадки, атмосферные процессы, в свою очередь, изменяют температуру поверхности моря посредством теплообмена, смешивания под воздействием ветра и облачного покрова. Результатом является тесно связанная система, в которой небольшие изменения в любом компоненте могут вызвать значительные последствия по всему миру. В этой статье исследуются физические механизмы, ключевые режимы изменчивости и способы изменения климата, меняющие этот тонкий баланс.

Физическая основа взаимодействия океан-атмосфера

В основе связи океана и атмосферы лежит обмен энергией. Солнечное излучение нагревает поверхность океана, особенно в тропических регионах, создавая слой теплой воды глубиной от десятков до сотен метров. Эта теплая вода выделяет тепло и влагу в атмосферу за счет испарения. Скорость испарения зависит от температуры поверхности моря, скорости ветра и влажности. По мере роста водяного пара она конденсируется в облака, выделяя скрытое тепло, которое питает штормы и крупномасштабные схемы циркуляции.

При этом атмосфера оказывает на океан силы. Ветровые напряжения порождают поверхностные течения, подъемы и перемешивания, перераспределяя тепло вертикально и горизонтально. Когда холодные воздушные массы проносятся по более теплой воде, они вытягивают тепло, охлаждают океан и стабилизируют морской пограничный слой. И наоборот, теплый воздух над более прохладной водой может привести к туману и стабильным условиям. Этот двусторонний обмен образует основу для всех основных климатических явлений.

Связь наиболее сильна в тропиках, где океан самый теплый и атмосфера самая энергичная. Однако среднеширотные и полярные регионы также демонстрируют значительные взаимодействия, особенно через штормовые трассы и динамику морского льда. Полное понимание требует рассмотрения как региональных, так и глобальных масштабов.

Факторы, влияющие на температуру океана

Солнечное излучение и сезонные циклы

Солнце обеспечивает первичный ввод энергии.Изменения солнечного угла, длины дня и облачного покрова создают сезонные циклы температуры поверхности моря.В экваториальных регионах годовой диапазон невелик; в более высоких широтах разница между летом и зимой может составлять более 10°C. Глубина смешанного слоя также меняется сезонно, влияя на то, сколько тепла запасает океан.

Океанские течения

Токи действуют как планетарные конвейерные ленты, перевозя теплую воду с экватора к полюсам и холодную воду из полярных регионов к тропикам. Гольфстрим и течение Куросио являются хорошо известными примерами. Эти течения не только перераспределяют тепло, но и влияют на прибрежные зоны подъема, где холодная, богатая питательными веществами вода поднимается на поверхность, охлаждая местные температуры моря и поддерживая продуктивное рыболовство.

Атмосферное воздействие

Ветровые структуры, системы давления и штормовые дорожки модулируют температуру океана. Торговые ветры управляют экваториальными течениями, в то время как Вестерли воздействуют на океаны средней широты. Во время сильных ветров поверхность океана смешивается, принося более глубокую прохладную воду на поверхность, процесс, известный как захват. Кроме того, испарение и осадки изменяют соленость, что, в свою очередь, влияет на стратификацию плотности и вертикальный транспорт тепла.

Содержание тепла в океане против температуры поверхности моря

Важно различать температуру поверхности моря (SST) и теплосодержание океана (OHC). SST измеряет только верхний миллиметр до метра океана, в то время как OHC интегрирует температуру на глубину. Более глубокий океан хранит тепло на десятилетних до столетних временных масштабах. Большая часть избыточного тепла от глобального потепления была поглощена верхними 700 метрами океана, что делает OHC более надежным индикатором изменения климата, чем SST в одиночку.

Как температура океана формирует погоду и климат

Ураганы и тропические циклоны

Теплые океанские воды являются основным топливом для тропических циклонов. Ураганы требуют, чтобы SST превышали примерно 26 ° C (79 ° F) для формирования и усиления. Чем теплее вода, тем больше влаги может испариться, и тем больше скрытого тепла доступно для питания циркуляции шторма. Увеличение SST на 1 ° C может увеличить потенциальную интенсивность урагана на 5 процентов или более. Эта связь является одним из самых прямых способов воздействия температуры океана на суровую погоду.

Однако ураганы также охлаждают поверхность океана, поскольку они извергают более глубокую, более холодную воду. Эта самоограничивающая обратная связь может временно снизить интенсивность шторма, но по мере нагревания океана из-за изменения климата охлаждающий эффект становится менее эффективным, позволяя штормам сохранять большую силу в течение более длительных периодов.

Монсунские системы

Муссоны сезонно меняют характер ветра, обусловленный контрастами температуры суши и моря. Теплые температуры океана вокруг Индийского океана, Бенгальского залива и Южно-Китайского моря обеспечивают влагу, необходимую для муссонных дождей. Аномальные модели SST, такие как связанные с диполем Индийского океана, могут привести либо к засухе, либо к наводнениям в регионах, зависящих от муссонов. Например, положительный IOD часто приносит сильные дожди в Восточную Африку и более сухие условия в Австралию и части Юго-Восточной Азии.

Средневысотные погодные модели

Аномалии температуры океана влияют на струйный поток и штормовые трассы в средних широтах. Например, теплое пятно в Северной Атлантике может изменять положение струйного потока и частоту блокирующих паттернов, приводя к холодным заклинаниям или волнам тепла над Европой. Аналогичным образом, тихоокеанское десятилетнее колебание (PDO) влияет на погодные условия по всей Северной Америке, сдвигая алеутский низкий и связанную с ним атмосферную циркуляцию.

Сезонные климатические прогнозы

Поскольку температура океана изменяется медленнее, чем атмосфера, аномалии SST могут служить предикторами для сезонного климата. Модели используют наблюдения SST для прогнозирования температуры, осадков и даже вероятности экстремальных явлений за несколько месяцев до этого. Мастерство сезонных прогнозов в значительной степени зависит от точного представления состояния океана и его связи с атмосферой.

Основные климатические режимы океанической атмосферы

Эль-Ниньо – Южное колебание (ENSO)

ENSO является наиболее ярким примером взаимодействия океан-атмосфера. Во время события Эль-Ниньо, торговые ветры ослабевают, позволяя теплой воде смещаться на восток через экваториальную часть Тихого океана. Это изменяет конвекционные модели, приводя к увеличению количества осадков в восточной части Тихого океана и засухам в западной части Тихого океана и части Азии. Напротив, Ла-Нинья усиливает торговые ветры и приносит более прохладную воду в восточную экваториальную часть Тихого океана, часто приводя к противоположным воздействиям. ENSO влияет на погоду во всем мире, от активности ураганов в Атлантике до зимних температур в Восточной Азии и африканских осадков. Узнайте больше об ENSO от NOAA Climate.gov .

Тихоокеанское десятилетнее колебание (PDO)

PDO - это долгоживущая модель изменчивости климата в Тихом океане, которая меняется между теплыми и прохладными фазами каждые 20-30 лет. Она влияет на SST в северной части Тихого океана и модулирует эффекты ENSO. Теплая фаза PDO имеет тенденцию улучшать условия Эль-Ниньо, в то время как холодная фаза усиливает Ла-Ниньо-подобные модели. PDO также влияет на пробеги лосося, прибрежный подъем и зимнюю погоду по всей Северной Америке.

Атлантическая многодекадальная осцилляция (АМО)

AMO описывает колебания SST в Северной Атлантике в масштабах бассейна, которые колеблются в течение 60-80 лет. Теплая фаза AMO связана с более активными сезонами ураганов в Атлантике, увеличением осадков над Сахелем в Африке и более теплым летом над Европой. Недавнее потепление Северной Атлантики частично объясняется сдвигом к теплой фазе AMO, но на него также влияют антропогенное изменение климата и аэрозольное воздействие.

Диполь Индийского океана (IOD)

IOD — это явление в сочетании океан-атмосфера в Индийском океане с положительными и отрицательными фазами. Во время положительного IOD восточный Индийский океан прохладнее, а западная часть теплее, часто вызывая засуху в Индонезии и Австралии, затопляя Восточную Африку. Отрицательный IOD имеет противоположные эффекты. IOD часто взаимодействует с ENSO, и эти взаимодействия могут усиливать или подавлять локальные климатические воздействия. Метеорологическое бюро Великобритании предоставляет подробную информацию о IOD .

Измерение и мониторинг температуры океана

Для понимания этих взаимодействий необходимы точные измерения температуры океана. Современная сеть наблюдений включает спутники, дрейфующие буи (поплавки Argo), пришвартованные буи (массив TAO/TRITON в тропической части Тихого океана), корабельные исследования и даже автономные планеры. Спутниковые радиометры измеряют кожу SST во всем мире, в то время как поплавки Argo профилируют верхние 2000 метров океана. Данные из этих сетей поступают в климатические модели и системы сезонного прогнозирования.

Программа Argo, которая состоит из почти 4000 свободно дрейфующих поплавков, произвела революцию в нашей способности контролировать теплосодержание океана. Каждый поплавок обычно профилируется каждые 10 дней, отправляя данные через спутник. Эта сеть показала, что верхний океан неуклонно нагревался в течение последних десятилетий, с ускорением темпов потепления. Узнайте больше о программе Argo .

Изменение климата и меняющееся взаимодействие

Потепление океана

Изменение климата, вызванное деятельностью человека, нагревает океан беспрецедентными темпами. Верхние 2000 метров поглотили более 350 зеттаджоулей тепла с 1950-х годов, что эквивалентно сотням миллиардов лет электростанций. Это потепление не является однородным: некоторые регионы, такие как Северная Атлантика и Южный океан, нагреваются быстрее, чем другие. Более теплые океаны означают больше энергии, доступной для штормов, измененных морских экосистем и меняющихся океанских течений.

Повышение уровня моря

Потепление океана способствует повышению уровня моря в первую очередь за счет теплового расширения. По мере нагрева воды он расширяется, повышая уровень моря. Гренландский и Антарктический ледяные щиты также тают из-за теплых океанских вод, подрезающих их края. Тепловое расширение составляет примерно 40 процентов наблюдаемого повышения уровня моря, а остальная часть поступает из таяния льда. Восходящие моря усугубляют прибрежные наводнения и эрозию.

Подкисление океана

Тот же CO2, который нагревает атмосферу, также растворяется в морской воде, образуя углекислую кислоту и понижая рН. Подкисление океана снижает доступность ионов карбоната, необходимых кораллам, моллюскам и планктону. Эти изменения нарушают морскую пищевую сеть и могут питаться обратно в климатическую систему. Например, снижение продуктивности планктона может изменить способность океана поглощать углекислый газ.

Морские тепловые волны

Морские тепловые волны (МВВ) - это периоды чрезвычайно высокого ССТ, которые сохраняются в течение нескольких дней или месяцев. Они стали более частыми и интенсивными из-за изменения климата. Известные события включают 2013-2015 «Blob» в северной части Тихого океана и 2019-2020 тепловые волны от восточной Австралии. МХВ вызывают обесцвечивание кораллов, гибель рыб и сдвиги в распределении видов. Они часто вызываются постоянными атмосферными системами высокого давления в сочетании с теплыми состояниями океанического фона.

Обратная связь Loops

Несколько циклов обратной связи еще больше усиливают связь океан-атмосфера в условиях изменения климата. Например, потепление снижает растворимость CO2 в морской воде, то есть океан поглощает меньшую долю выбросов, оставляя больше в атмосфере. Более теплые воды также становятся более стратифицированными, уменьшая вертикальное смешивание и поступление питательных веществ в поверхностные экосистемы. Это может снизить биологическую продуктивность и уменьшить способность океана удалять углерод из атмосферы.

Еще одна важная обратная связь связана с потерей морского льда. По мере таяния арктического морского льда подвергается более открытому океану, который поглощает больше солнечного света, еще больше нагревает океан и ускоряет потерю льда. Этот механизм, называемый обратной связью альбедо, особенно силен в Арктике и влияет на глобальные модели атмосферной циркуляции, включая струйный поток.

Последствия для будущего

Взаимодействие между температурой океана и атмосферными условиями будет продолжать развиваться по мере потепления планеты. Ключевые проблемы включают в себя более экстремальные погодные явления - особенно сильные ураганы, более длительные волны тепла и более сильные осадки - а также сдвиги в времени и интенсивности муссонов. Прибрежные сообщества столкнутся с комбинированными угрозами от повышения уровня моря, штормовых нагонов и морских тепловых волн.

Стратегии адаптации должны учитывать изменение океана. Улучшенные системы наблюдений, более точные климатические модели и лучшие сезонные прогнозы могут помочь обществу подготовиться. Природные решения, такие как восстановление мангровых зарослей, морских рифов и коралловых рифов, могут сдерживать некоторые воздействия, а также поддерживать биоразнообразие и хранение углерода. Сокращение выбросов парниковых газов остается самым фундаментальным шагом для ограничения серьезности будущих изменений.

Для политиков и планировщиков понимание двусторонней взаимосвязи между океаном и атмосферой имеет решающее значение. Решения о водных ресурсах, сельском хозяйстве, снижении риска бедствий и инфраструктуре требуют, чтобы мы интегрировали информацию об океане в процесс принятия решений. Последний доклад МГЭИК (AR6) содержит подробные сведения о взаимодействии океана и климата .

Заключение

Океан и атмосфера заперты в динамичном партнерстве, которое формирует каждый регион погоды и климата на Земле. Температура океана приводит к испарению, разжигает штормы и закрепляет крупномасштабные климатические режимы, такие как ENSO и PDO. В свою очередь, атмосфера изменяет поверхность океана через ветры, тепловые потоки и пресноводные ресурсы. Изменение климата усиливает эти взаимодействия, с глубокими последствиями для экосистем, экономики и общества во всем мире.

Продолжение исследований, мониторинг и международное сотрудничество необходимы для углубления нашего понимания этого взаимодействия. Улучшая наши знания, мы можем лучше предвидеть изменения, снижать риски и повышать устойчивость в мире потепления. Тепловое состояние океана является одновременно диагностическим инструментом и движущей силой климата Земли - тем, что заслуживает пристального внимания в нашем стремлении ориентироваться в неопределенном будущем.