Эль-Ниньо-Южный цикл колебаний

Эль-Ниньо и Ла-Нинья представляют собой две противоположные фазы Эль-Ниньо-Южного колебания (ENSO), сложной климатической модели, происходящей в тропической части Тихого океана. ENSO оказывает глубокое и широкомасштабное влияние на глобальную погоду, изменчивость климата и экосистемы. Частота - как часто происходят эти события - и их интенсивность - насколько они сильны - играют решающую роль в определении масштабов и тяжести их воздействия. Они могут варьироваться от тонких сдвигов в сезонной погоде до катастрофических наводнений, засух, лесных пожаров и ураганов. Всестороннее понимание механизмов и изменчивости ENSO необходимо для улучшения сезонных прогнозов погоды, оптимизации сельскохозяйственной практики и повышения готовности к бедствиям во всем мире.

Циркуляция Уокера и нейтральные условия ENSO

В нейтральных условиях ENSO тропический Тихий океан поддерживает устойчивый температурный градиент восток-запад. Теплые поверхностные воды накапливаются в западной части Тихого океана и регионе Морского континента, питая сильную атмосферную конвекцию и сильные дожди. Напротив, восточная часть Тихого океана вблизи побережья Южной Америки испытывает более холодные температуры поверхности моря из-за постоянного подъема холодных, богатых питательными веществами вод. Этот температурный контраст приводит к циркуляции Уокера, крупномасштабной атмосферной циркуляции с поднятием воздуха над теплым западом Тихого океана, ветрами верхнего уровня на восток, нисходящим воздухом над прохладным восточным Тихим океаном и поверхностными торговыми ветрами, дующими на запад. Эта самоподдерживающаяся петля стабилизирует тропическую тихоокеанскую среду и поддерживает систему ENSO в нейтральном состоянии.

Эль-Ниньо: Теплая фаза

Событие Эль-Ниньо возникает, когда циркуляция Уокера ослабевает или даже поворачивает вспять. Восточные торговые ветры ослабевают, позволяя бассейну теплой воды, обычно сосредоточенному в западной части Тихого океана, смещаться на восток к центральной и восточной экваториальной части Тихого океана. Это подавляет обычное прибрежное повышение температуры холодной воды вблизи Южной Америки, вызывая крупномасштабное потепление температуры поверхности моря над центральной и восточной частью Тихого океана, в результате чего атмосферная конвекция и модели осадков смещаются на восток, нарушая глобальную атмосферную циркуляцию. Эти изменения изменяют струйные потоки, муссоны и штормовые пути во всем мире, часто приводя к засухам в таких регионах, как Австралия и Индонезия, а также чрезмерные осадки и наводнения в некоторых частях Южной Америки и южных Соединенных Штатов. Интенсивность Эль-Ниньо напрямую связана с степенью океанического потепления и силой связанной с ним атмосферной реакции, влияя на тяжесть глобальных климатических воздействий.

Ла-Нинья: Холодная фаза

Ла-Нинья по существу противоположна Эль-Ниньо, характеризующаяся усилением нормальной циркуляции Уокера. Во время Ла-Нинья усиливаются торговые ветры, толкающие теплые поверхностные воды дальше на запад и усиливающие подъем холодной воды вдоль восточного побережья Тихого океана. Это приводит к аномально прохладным температурам поверхности моря в центральной и восточной экваториальной части Тихого океана. Связанные с этим атмосферная конвекция и осадки смещаются в сторону западной части Тихого океана и Индонезийского архипелага. События Ла-Нинья часто следуют за сильным Эль-Ниньо, поскольку климатическая система качается назад, иногда перекрывая нейтральное состояние и вызывая длительные прохладные условия. Ла-Нинья оказывает значительное глобальное воздействие, включая повышенную активность ураганов в Атлантике, влажные условия в Австралии и засуху на юго-западе Соединенных Штатов.

Частота и повторяемость событий ENSO

Время событий Эль-Ниньо и Ла-Нинья нерегулярно, с интервалами, как правило, от двух до семи лет. В отличие от строгого периодического цикла, изменчивость ENSO зависит от сложного взаимодействия океанических и атмосферных процессов, которые требуют времени для подзарядки и сброса. В среднем десятилетие может включать от трех до четырех событий Эль-Ниньо и аналогичное количество эпизодов Ла-Нинья, при этом оставшиеся годы характеризуются нейтральными условиями. Однако многолетние периоды, в которых доминирует одна фаза, не являются редкостью, иллюстрируя присущую системе изменчивость и непредсказуемость.

Исторические записи выделяют заметные периоды фазового доминирования.В начале 1990-х годов наблюдалась длительная тёплая фаза, причём события Эль-Ниньо, происходившие в 1991—1992, 1993 и 1994—1995 годах, были связаны с упорно ослабленным кругооборотом Уокера.И наоборот, с 2008 по 2013 год преобладало сильное состояние Ла-Нинья, преобладавшее лишь с короткими нейтральными интервалами.Совсем недавно «тройной капелькой» Ла-Нинья 2020—2023 годов была исключительно редким явлением, в котором холодные условия сохранялись в течение трёх последовательных бореальных зим, картина, невиданная в XXI веке.Такая нерегулярность частоты ENSO представляет значительные проблемы для долгосрочного прогнозирования климата, управления ресурсами и планирования адаптации.

Классификация интенсивности Эль-Ниньо и Ла-Нинья

Индекс океанического ниньо (ONI)

Индекс океанического ниньо (ONI) является основным показателем, используемым во всем мире для измерения силы событий ENSO. Он представляет собой трехмесячное среднее значение аномалий температуры поверхности моря в области ниньо 3,4 экваториальной части Тихого океана (5°N-5°S, 120°W-170°W). Национальное управление океанических и атмосферных исследований (NOAA) определяет событие Эль-Ниньо как происходящее, когда ONI превышает +0,5°C в течение по крайней мере пяти последовательных перекрывающихся трехмесячных периодов. И наоборот, событие Ла-Нинья определяется, когда ONI падает ниже -0,5°C в течение той же продолжительности. Для дальнейшего уточнения этих классификаций интенсивность событий делится на четыре категории: слабая (0,5°C до 0,9°C), умеренная (1,0°C до 1,4°C), сильная (1,5°C до 1,9°C) и очень сильная или «супер» (≥2,0°C).

С тех пор как в середине 20-го века начались надежные инструментальные записи, было задокументировано лишь несколько из них, в частности в 1982-1983, 1997-1998 и 2015-2016 гг. Эти события вызвали широкомасштабные климатические нарушения, в результате которых были понесены десятки миллиардов долларов глобальных экономических потерь. Хотя события Ла-Нинья обычно не достигают такой же величины в отрицательных значениях ONI, сильные Ла-Нинья (≤ -1,5 ° C) оказывают значительное влияние, особенно на активность ураганов в Атлантике и региональные засухи в Северной и Южной Америке. Для детального исторического анализа и постоянного мониторинга блог NOAA ENSO является бесценным ресурсом.

Восточная часть Тихого океана против Центральной части Тихого океана

В то время как ONI обеспечивает жизненно важную количественную меру, он не полностью отражает пространственное разнообразие событий ENSO. Географическое расположение аномалий пиковой температуры поверхности моря играет решающую роль в формировании их глобальных воздействий. «Восточная часть Тихого океана» (EP) Эль-Ниньо проявляет сильное потепление вблизи южноамериканского побережья и имеет тенденцию производить классические глобальные телесоединения, такие как сильные зимние дожди в Калифорнии и катастрофические наводнения в Перу. Напротив, «Центральная часть Тихого океана» (CP) или «Модоки» Эль-Ниньо имеют свои самые теплые аномалии дальше на запад в центральной части Тихого океана. Эти CP Эль-Ниньо часто генерируют различные атмосферные реакции, такие как измененные восточноазиатские муссонные модели и более слабое влияние на активность ураганов в Атлантике. 2015-2016 Эль-Ниньо, несмотря на то, что он классифицируется как супер Эль-Ниньо по стандартам ONI, имел сильную центральную Тихоокеанскую подпись, которая модулировала его воздействия, делая их несколько отличными от события 1997-1998 годов.

Основные драйверы переменности ENSO

Обратная связь океан-атмосфера

Эволюция и сила событий ENSO во многом управляются механизмами положительной обратной связи в рамках сопряженной системы океан-атмосфера. Наиболее фундаментальной является обратная связь Бьеркнеса. Когда ослабевают торговые ветры, уменьшается апвеллинг в восточной части Тихого океана, что позволяет накапливаться теплым поверхностным водам, что еще больше уменьшает температурный градиент восток-запад. Это, в свою очередь, еще больше ослабляет торговые ветры, создавая самоусиливающийся цикл, который может перерасти в сильный Эль-Ниньо. И наоборот, петля обратной связи усиливается в противоположном направлении во время Ла-Нинья, при этом более сильные торговые ветры усиливают апвеллинг и охлаждают поверхность океана.

Другим решающим фактором является глубина термоклина — пограничный слой между теплыми поверхностными водами и холодными глубокими водами. Более глубокий термоклин в восточной части Тихого океана обеспечивает больший резервуар теплой воды, который может питать более интенсивные события Эль-Ниньо, когда подъем подавлен. Экваториальные волны Кельвина, порождаемые внезапными западными ветровыми всплесками, распространяются на восток вдоль термоклина и действуют как предшественники значительных эпизодов Эль-Ниньо, углубляя термоклину и нагревая поверхность.

Роль западных ветровых ветров

Западные ветры над западно-тихоокеанским теплым бассейном являются временными, но мощными порывами, которые играют решающую роль в динамике ENSO. Эти короткие события могут вызвать распространяющиеся на восток волны Кельвина, которые углубляют термоклину и инициируют развитие Эль-Ниньо. Мадден-Джулианское колебание (MJO), крупномасштабная тропическая атмосферная волна с 30-60-дневным циклом, является основным драйвером WWB. Поскольку время и сила MJO по своей сути изменчивы и несколько непредсказуемы, это вводит значительную случайность в начало и интенсивность ENSO, усложняя усилия по прогнозированию за несколько месяцев.

Долгосрочные климатические тенденции и изменение климата

Один из самых насущных научных вопросов — как антропогенное изменение климата влияет на частоту, интенсивность и характеристики событий ENSO. Хотя климатические модели не полностью согласуются с подробными прогнозами, появилось несколько последовательных тенденций. Растет число доказательств того, что экстремальные осадки, вызванные ENSO, усиливаются, поскольку потепление атмосферы может удерживать больше влаги, усиливая гидрологические реакции как на Эль-Ниньо, так и на Ла-Нинью. Кроме того, некоторые исследования предполагают ослабление циркуляции Уокера при глобальном потеплении, что может увеличить распространенность Центрального тихоокеанского Эль-Ниньо. Исследования Национального центра атмосферных исследований предупреждает, что даже если частота событий ENSO остается стабильной, экономический ущерб от экстремальных погодных условий, усугубляемых ENSO, может нелинейно возрастать в более теплом мире.

Глобальные последствия, связанные с частотой и интенсивностью

Экстремальные погодные модели

Сила события ENSO тесно коррелирует с масштабом глобальных погодных сбоев. Сильные события Эль-Ниньо обычно вызывают сильные засухи в Индонезии, Австралии и Южной Африке, в то время как южные Соединенные Штаты и западная Южная Америка испытывают увеличение количества осадков и наводнений. Эль-Ниньо 1997-1998 годов, один из самых интенсивных в истории, привел к разрушительным наводнениям в Перу и Эквадоре и способствовал массовым лесным пожарам в Индонезии. Напротив, более слабые Эль-Ниньо, как правило, производят более умеренные погодные аномалии без широкомасштабной катастрофы.

События Ла-Нинья существенно влияют на активность атлантических ураганов. Сильные, продолжительные Ла-Нинья, такие как периоды 2010-2011 и 2020-2023 годов, уменьшают вертикальный сдвиг ветра над Атлантическим океаном, создавая весьма благоприятные условия для формирования и интенсификации ураганов. Сезон атлантических ураганов 2020 года побил рекорды с 30 названными штормами, явление, тесно связанное с условиями Ла-Нинья. И наоборот, Эль-Ниньо подавляет атлантические ураганы, но усиливает активность тайфунов в западной части Тихого океана, иллюстрируя, как фазы ENSO модулируют тропические циклоны во всем мире.

Сельскохозяйственные и экономические последствия

Экономические последствия изменчивости ENSO огромны, особенно для сельского хозяйства, которое очень чувствительно к изменениям температуры и моделей осадков. Один сильный Эль-Ниньо может опустошить ключевые урожаи урожая пшеницы в Австралии может пострадать, производство пальмового масла в Юго-Восточной Азии может снизиться, а основные культуры, такие как кукуруза в Южной Африке и на Среднем Западе США, сталкиваются с повышенным риском неудач. Совокупное глобальное экономическое воздействие сбоев, связанных с ENSO, оценивается в триллионы долларов за последнее столетие. Уязвимые страны с ограниченным адаптационным потенциалом, особенно в тропиках, несут непропорциональные потери по отношению к их ВВП. Точное знание вероятной частоты и интенсивности ENSO помогает правительствам и товарным рынкам хеджировать риски, готовиться к нехватке продовольствия и стабилизировать экономику.

Прогнозирование будущих событий

Барьер предсказуемости весны

Одной из ключевых проблем в прогнозировании ENSO является «весенний барьер предсказуемости». В течение бореальных весенних месяцев (с марта по май) тропическая климатическая система Тихого океана демонстрирует низкие соотношения сигнал/шум, что затрудняет для моделей точное прогнозирование событий ENSO, которые пересекают этот период. Этот барьер препятствует долгосрочным прогнозам того, будет ли формироваться Эль-Ниньо или Ла-Нинья и насколько сильным он будет. В результате прогнозы, сделанные до весны, часто имеют большие неопределенности, ограничивая раннюю подготовку к пострадавшим регионам.

Достижения в климатических моделях

Несмотря на эти проблемы, возможности моделирования климата и наблюдения заметно улучшились за последние десятилетия. Современные динамические климатические модели, которые имитируют связанную физику океан-атмосфера, теперь могут надежно прогнозировать фазы ENSO до шести-девяти месяцев вперед, особенно для умеренных и сильных событий. Ключевые индикаторы, которые отслеживаются, включают в себя содержание тепла в подповерхностном океане, глубину термоклина, силу ветра в торговле и состояние колебания Мэдден-Джулиан. Постоянные наблюдения со спутника и буя улучшают ассимиляцию данных, улучшая навыки прогнозирования. Эти достижения имеют решающее значение для управления рисками, связанными с сменой частоты и интенсивности ENSO, что позволяет лучше информированные решения в сельском хозяйстве, управлении водными ресурсами, реагировании на стихийные бедствия и экономическом планировании.

Заключение

Частота и интенсивность событий Эль-Ниньо и Ла-Нинья далеки от случайных колебаний; они регулируются сложными обратными связями океан-атмосфера и под влиянием более широких климатических тенденций, включая антропогенное глобальное потепление. Понимание сложной динамики, лежащей в основе этих явлений, имеет жизненно важное значение, поскольку их воздействие пульсирует по всему миру, влияя на экстремальные погодные условия, экосистемы, экономику и средства к существованию человека. Продолжение исследований, расширение наблюдательных сетей и улучшенные модели прогнозирования необходимы для более точного прогнозирования событий ENSO, смягчения их неблагоприятных последствий и использования возможностей для адаптации в быстро меняющемся климате.