Table of Contents

Струйный поток — это высокоскоростная река воздуха, которая глубоко влияет на погодные условия по всему миру. На протяжении десятилетий он функционировал как надежный, хотя и динамичный, драйвер штормов и сезонов. Однако быстро нагревающаяся планета фундаментально меняет эту ключевую атмосферную особенность. Изменения в пути и силе струйного потока больше не являются отдаленной теоретической проекцией, а измеримой реальностью, непосредственно связанной с некоторыми из самых разрушительных экстремальных погодных явлений последнего десятилетия. Понимание этих сдвигов имеет важное значение для понимания полного масштаба климатического кризиса и подготовки к его воздействию на экосистемы, инфраструктуру и безопасность человека.

Основы реактивного потока: глобальный атмосферный транспортер

Что такое реактивный поток и почему он существует?

Струйный поток представляет собой узкую полосу сильных ветров в верхней атмосфере, обычно встречающуюся на высоте от 30 000 до 40 000 футов над поверхностью Земли. Это не один непрерывный поток, а серия взаимосвязанных течений, которые текут с запада на восток в обоих полушариях. Его существование регулируется принципом, известным как баланс теплового ветра. Теплый воздух поднимается на экваторе, движется в направлении полюса и отклоняется эффектом Кориолиса. Одновременно холодный, плотный воздух опускается на полюсах. Резкий контраст температуры между холодным полярным воздухом и теплым субтропическим воздухом создает мощный градиент давления. Этот градиент в сочетании с вращением Земли генерирует интенсивный, сфокусированный ветровой поток, который мы называем струйным потоком. Национальное управление океанических и атмосферных исследований (NOAA) обеспечивает подробный пояснитель глобальных струйных потоков. Чем больше разница температур, тем сильнее струйный поток.

Полярные и субтропические реактивные потоки

Большинство дискуссий о погоде сосредоточено на полярном струйном потоке. Это более сильный, более мощный из двух основных струй в каждом полушарии. Он находится на границе между полярными и среднеширотными воздушными массами и является основным драйвером погодных систем в таких регионах, как Северная Америка, Европа и Азия. субтропический струйный поток образуется дальше на юг, вблизи границы между средней широтой и тропическим воздухом. Он, как правило, слабее и более влиятелен на тропические штормы и муссоны. Изменение климата влияет на обе, но воздействие на полярный струйный поток является наиболее драматичным и последовательным для густонаселенных среднеширотных регионов.

Как реактивный поток управляет погодой: переезды и пробоины

Струйный поток не течет по совершенно прямой линии вокруг земного шара. Он естественным образом извивается на север и юг волнообразным образом. Эти крупномасштабные волны известны как волны Россби или планетарные волны. Северные выпуклости струйного потока называются , которые соответствуют системам высокого давления на поверхности, обычно приносящим теплую и стабильную погоду. Южные провалы называются штопорами , которые связаны с системами низкого давления, приносящими холодный воздух, штормы и осадки. Струйный поток эффективно действует как направляющий для поверхностных штормов, обеспечивая энергию и механизм управления для циклонов средней широты. Когда струйный поток является более плавным, погодные системы движутся медленнее и могут стать более интенсивными.

Главный драйвер изменений: усиление Арктики

Почему Арктика нагревается быстрее

Единственным наиболее важным фактором, изменяющим поведение струйного потока, является Арктическое усиление . Арктический регион нагревается почти в четыре раза быстрее, чем в среднем по миру. Это явление обусловлено мощными петлями обратной связи. Наиболее значительным из них является обратная связь альбедо. Белый морской лед отражает большую часть поступающей солнечной радиации обратно в космос. По мере того, как климат нагревается, морской лед тает, обнажая темную поверхность океана. Темная вода поглощает гораздо больше солнечной радиации, что приводит к дальнейшему таянию воды, что, в свою очередь, тает больше льда. Этот самоусиливающийся цикл является основной причиной быстрого потепления, наблюдаемого в Арктике. Подразделение NASA по изменению климата предлагает всеобъемлющее понимание арктического усиления. Потепление не является однородным, но потеря снега и ледяного покрова резко усиливает эффект.

Уменьшение температурного градиента

Прочность полярного струйного потока в корне определяется разностью температур (градиентом) между Арктикой и средними широтами. Большая разность температур создает сильный градиент давления и быстрый, стабильный струйный поток. Арктическое усиление напрямую сокращает этот градиент. По мере того, как Арктика нагревается намного быстрее, чем средние широты, температурный контраст уменьшается. Это снижение контраста ослабляет баланс теплового ветра, который управляет струйным потоком. Результатом является более медленный, менее стабильный полярный струйный поток, который более склонен к большим, широким меандрам. Это ослабление температурного градиента является основной физической связью между изменением климата и измененным поведением струйного потока.

Как изменение климата изменяет поведение реактивного потока

Слабый, более снисходительный путь

Наиболее широко обсуждаемое и наблюдаемое изменение струйного потока — это увеличение его волнистости. Более слабый струйный поток, приводимый в движение пониженным температурным градиентом, менее энергичен и легче отклоняется большими горными хребтами или даже энергией, выделяемой мощными штормами. Это приводит к более высокой амплитуде волн Россби. Вместо относительно плотного, быстрого потока вокруг полюса струйный поток проходит гораздо более извилистый, удлиненный путь. Эта теория «более струйного потока», впервые предложенная учеными, такими как доктор Дженнифер Фрэнсис, предполагает, что струя проводит больше времени в экстремальных положениях на север или на юг. Это замедление и извилистость имеет глубокие последствия для погоды, которую мы испытываем.

Блокировка шаблонов: когда погода застревает

Одним из наиболее опасных последствий струйного потока является повышенная частота и стойкость блокирующих паттернов . Когда сильный хребет в струйном потоке становится необычно большим и неподвижным, он может блокировать продвижение погодных систем на восток. Вместо штормов, движущихся через область в течение дня или двух, блокирующий паттерн может блокировать погоду на месте в течение нескольких недель. Классическим примером является блок Омега , где струйный поток образует форму, напоминающую греческую букву Омега (Ω). Этот паттерн имеет хребет высокого давления, окруженный двумя корытами низкого давления. Застрявший хребет приводит к длительным тепловым волнам и засухам, в то время как соседние желоба вызывают постоянные дожди, наводнения и несезонные холода.

Примеры застрявших погодных событий

  • Тихоокеанская Северо-Западная тепловая волна 2021 года: Массивный и стойкий хребет в струйном потоке «захватил» атмосферу над регионом, улавливая тепло и приводя к рекордным температурам, которые превысили 116 ° F в Портленде и 121 ° F в Британской Колумбии. Это событие вызвало сотни смертей и огромный ущерб экосистеме.
  • Пакистанские наводнения 2022 года: Постоянное впадение в струйный поток над Южной Азией в течение нескольких недель вело к серии интенсивных муссонных дождей.В сочетании с другими факторами это привело к катастрофическим наводнениям, которые затопили треть страны.
  • Февраль 2021 года Зимний шторм в Техасе: Разрушение полярного вихря, тесно связанного с волнистым струйным потоком, позволило заморозить арктический воздух, чтобы погрузиться далеко на юг в Соединенные Штаты, что привело к полному коллапсу электросети Техаса.

Изменения в высотах и внутренней структуре

За траекторией также смещается внутренняя динамика струйного потока. По мере того как нижняя атмосфера (тропосфера) нагревается и расширяется из-за парниковых газов, струйный поток может слегка сдвигаться в сторону полюса в некоторых регионах. Кроме того, высота, на которой могут изменяться струйные потоки. Более теплый воздух может удерживать больше влаги, а высвобождение этого скрытого тепла в штормовых системах может подпитывать струйный поток непредсказуемыми способами. Некоторые исследования показывают, что в то время как общий зональный (запад-восток) поток ослабевает, потенциал для экстремальной погоды увеличивается из-за большей амплитуды волн.

Глобальные последствия: экстремальные погодные явления и климатические катаклизмы

Длительные тепловые волны и засухи

Возможно, наиболее прямой связью является связь между волнистым струйным потоком и экстремальной жарой. Когда гребень высокого давления застревает, он создает «тепловой купол». Потопящий воздух под гребнем сжимается и нагревается, в то время как ясное небо позволяет максимальному солнечному излучению достигать поверхности. Без сдерживающего влияния проходящих штормов или облачного покрова температуры могут подниматься до опасных уровней день за днем. Эти условия быстро приводят к засухе, поскольку земля высыхает. Российская жара 2010 года, европейская жара 2003 года и Тихоокеанская северо-западная жара 2021 года были тесно связаны с устойчивыми моделями струйного потока.

Разрушительные наводнения и экстремальные осадки

И наоборот, глубокие желоба, прилегающие к этим хребтам, могут стать проводниками для неустанных осадков. Застопорившаяся система низкого давления может «тренировать» несколько полос гроз на одной и той же территории в течение нескольких дней, что приводит к внезапным наводнениям. В 2021 году медленно движущаяся система низкого давления, удерживаемая на месте заблокированным струйным потоком, вызвала разрушительные наводнения по всей Германии и Бельгии. Струйный поток также может подключаться к аномально теплому, влажному воздуху из тропиков и направлять его к средним широтам, обеспечивая топливо для экстремальных осадков. Изменение климата увеличивает влагоудерживающую способность атмосферы примерно на 7% на градус Цельсия потепления, дополнительно перегружая эти наводнения.

Несезонные холодные сбои и нарушения полярного вихря

Это может показаться нелогичным, но потепление Арктики приводит к более суровой зимней погоде для некоторых регионов. Полярный вихрь - это большая область низкого давления и холодного воздуха, окружающего полюса Земли. Он тесно связан с струйным потоком. Сильный, стабильный полярный вихрь держит самый холодный арктический воздух, запертый вблизи Северного полюса. Однако, когда струйный поток становится очень волнистым, он может ослабить полярный вихрь, заставляя его растягиваться, колебаться или даже делиться на несколько долей. Эти доли холодного воздуха могут затем разливаться на юг, вызывая интенсивные похолодания в регионах, не привыкших к ним. Техасский мороз 2021 года - это пример учебника, где ослабленный и смещенный полярный вихрь отправляет арктический воздух глубоко в южные Соединенные Штаты. Исследование, опубликованное в Geophysical Research Letters, изучило связь между нарушением полярного вихря и замораживанием Техаса.

Нарушение североатлантического самолета и европейская погода

Североатлантическое колебание (НАО) является ключевой климатической моделью, обусловленной поведением реактивного потока над Северной Атлантикой. Положительная НАО обычно направляет сильные западные ветры и штормы через Атлантику, принося мягкую, влажную погоду в Северную Европу. Отрицательная НАО связана с более слабой, более извилистой струей, что может привести к блокированию моделей. Изменение климата делает прогнозирование НАО более трудным, а некоторые модели предполагают увеличение частоты негативных событий НАО, что будет означать более частые холодные периоды и зимние штормы для Европы, а также летние тепловые волны, когда самолет отступает на север.

Воздействие на реактивный поток Южного полушария

В то время как большая часть внимания сосредоточена на Северном полушарии, струйный поток Южного полушария также меняется. Южный кольцевой режим (SAM), который описывает движение север-юг пояса западного ветра (включая струйный поток), смещается в сторону своей положительной фазы. Это означает, что струйный поток сокращается в сторону Антарктиды. Этот сдвиг обусловлен сочетанием истощения озона и увеличения парниковых газов. Более сильный, более поулвардный струйный поток Южного полушария был связан с повышенной засухой в южной Австралии и частях Южной Америки, измененными моделями осадков в Новой Зеландии и изменениями в циркуляции вокруг Антарктиды, которые влияют на стабильность ледяного покрова.

Секторальные последствия и риски

Сельское хозяйство и продовольственная безопасность

Поведение струйного потока диктует успех или неудачу вегетационных сезонов. Фермеры полагаются на предсказуемые модели осадков и температуры. Волновой струйный поток вносит значительную волатильность. Постоянный хребет над крупным регионом хлебной корзины, таким как Средний Запад США или российская степь, может привести к внезапной засухе в критический период опыления, испаряя урожайность. И наоборот, застопорившееся желоб может задержать посадку с холодными, влажными условиями или утопить урожай с чрезмерным дождем. Эта нестабильность в производстве продуктов питания может пульсировать на глобальных товарных рынках и угрожать продовольственной безопасности, особенно в странах, зависящих от импорта. Российская жара 2010 года, связанная с блокирующей моделью, привела к запрету на экспорт зерна и способствовала глобальным скачкам цен на продовольствие.

Управление водными ресурсами

Миллионы людей полагаются на системы подачи снега из горных хребтов, таких как Гималаи, Анды и Сьерра-Невада. Струйный поток диктует путь зимних штормов, которые строят этот снежный покров. Изменение положения струйного потока может резко уменьшить снегопады в этих критических регионах. Например, сдвиг в северо-тихоокеанском струйном потоке является основной причиной засухи в западных Соединенных Штатах. если штормы постоянно отклоняются к северу от региона из-за постоянного хребта, снежный покров не накапливается, что приводит к нехватке воды в сухие летние месяцы. Водные менеджеры должны адаптироваться к будущему, где историческая надежность снежного покрова больше не является заданной.

Энергетические сети и инфраструктура

Энергетическая инфраструктура спроектирована вокруг типичных климатических режимов. Длительная экстремальная жара приводит к росту спроса на кондиционирование воздуха, подталкивая сети к точке прорыва и вызывая отключения или отключения. Экстремальные похолодания, как в случае с Техасом в 2021 году, могут заморозить газопроводы и выбить электростанции из строя именно тогда, когда спрос на энергию является самым высоким. Струйный поток также напрямую влияет на выработку возобновляемой энергии. Производство энергии ветра зависит от постоянного потока ветра. Блокировка моделей, которые вызывают «засухи ветра», может привести к длительным периодам производства энергии ветра по всему региону. Гидроэнергетика аналогично зависит от моделей осадков, управляемых струйным потоком. Изменение струйного потока делает планирование надежности сети гораздо более сложным.

Стабильность экосистем и биоразнообразие

Экосистемы тонко настроены на ритмы сезонов, которые в значительной степени управляются струйным потоком. Быстро меняющийся струйный поток нарушает эти ритмы, приводя к фенологическим несоответствиям. Например, весенняя жара может привести к тому, что насекомые вылупятся и цветы зацветут раньше, чем обычно, но перелетные птицы, которые вовремя прилетают на основе длины дня, могут прибыть слишком поздно, чтобы питаться этими ресурсами. Это несоответствие может каскадироваться через пищевую сеть. Аналогичным образом, морские экосистемы страдают от изменений в ветровых моделях, приводимых в движение струйным потоком, который приводит к подъему океана (принесение богатой питательными веществами воды на поверхность). Изменения в апвеллинге могут нарушить целые морские пищевые цепи, от фитопланктона до рыбы и китов.

Научные неопределенности и исследования на грани сокращения

Оригинальное название: Waviness versus Zonality

Хотя связь между быстро нагревающейся Арктикой и волнистым струйным потоком является убедительной и подтверждается большим количеством доказательств, она не лишена научных дебатов. Некоторые климатические модели и наблюдательные исследования не показывают последовательного, глобально равномерного увеличения волнистости струйного потока за последние несколько десятилетий. Эти исследования показывают, что реакция струйного потока сложна и может значительно варьироваться в зависимости от сезона и географического региона. Некоторые исследователи утверждают, что в то время как волнистость может увеличиваться в определенных секторах (например, в Тихоокеанско-Североамериканском регионе), другие факторы, такие как изменения тропической конвекции (например, Эль-Ниньо), играют более доминирующую роль в некоторые годы. Научное сообщество продолжает совершенствовать климатические модели и улучшать данные наблюдений для решения этих сложностей. Проблема заключается в различении долгосрочных сигналов изменения климата от высокой естественной изменчивости струйного потока.

Достижения в науке атрибуции

Несмотря на продолжающиеся дебаты о точных механизмах, мощная новая область климатологии дает ответы: Экстремальное атрибуция событий . Ученые теперь могут использовать климатические модели для моделирования мира без антропогенного изменения климата и сравнивать его с миром, в котором мы живем. Это позволяет им определить, насколько более вероятным или интенсивным стало конкретное экстремальное событие из-за изменения климата. Всемирное атрибуция погоды (WWA) является ведущей организацией в этой области. Их исследования последовательно показали, что события, связанные с устойчивыми моделями струйных потоков, такими как Тихоокеанская северо-западная волна тепла 2021 года и наводнения в Пакистане 2022 года, были значительно более вероятными и серьезными из-за антропогенного потепления. Эта атрибуция наука предоставляет конкретные доказательства прямого вреда, причиненного нашим меняющимся климатом.

Заключение

Струйный поток является основным компонентом климатической системы нашей планеты, и его поведение фундаментально переписывается изменением климата. Ослабление градиента температуры из-за быстрого потепления Арктики приводит к более медленному, более извилистому и более энергичному волновому паттерну. Этот сдвиг напрямую переводится в более устойчивые и экстремальные погодные явления - застрявшие волны тепла, неустанные наводнения и беспрецедентные похолодания. Каскад воздействий на сельское хозяйство, водные ресурсы, энергию и экосистемы. В то время как важные научные вопросы остаются о точных региональных и сезонных деталях этих изменений, общая тенденция ясна. Стабильность атмосферной циркуляции, на которую цивилизации полагались в течение тысяч лет, разрушается, что делает императив для агрессивного сокращения выбросов и надежных стратегий адаптации более актуальным, чем когда-либо.