Наука Эль-Ниньо и Ла-Нинья: изменчивость климата в Тихом океане

Эль-Ниньо и Ла-Нинья являются двумя наиболее последовательными климатическими явлениями на Земле, происходящими в тропической части Тихого океана и оказывающими глубокое влияние на погодные условия по всему миру. Эти события, в совокупности известные как Эль-Ниньо-Южное колебание (ENSO), представляют собой естественную изменчивость системы океан-атмосфера. Понимание механики, воздействия и предсказуемости Эль-Ниньо и Ла-Нинья имеет важное значение для сообществ, правительств и отраслей, которые зависят от стабильных климатических условий. В этой статье исследуется научная основа этих явлений, их влияние на глобальную погоду и инструменты, используемые для мониторинга и прогнозирования их.

Что такое Эль-Ниньо?

Эль-Ниньо определяется периодическим потеплением температуры поверхности моря в центральной и восточной экваториальной части Тихого океана. Это потепление нарушает нормальную циркуляцию атмосферы и может длиться от нескольких месяцев до более года. Эль-Ниньо обычно происходит каждые два-семь лет и варьируется по интенсивности. Термин первоначально относился к теплому океанскому течению, которое появляется у берегов Южной Америки около Рождества, но ученые теперь используют его для описания изменений температуры океана и атмосферного давления в масштабах бассейна.

Во время Эль-Ниньо обычно сильные торговые ветры, которые дуют с востока на запад через Тихий океан, ослабевают. Это позволяет теплой воде, которая накопилась в западной части Тихого океана, отклоняться назад на восток, повышая температуру поверхности моря вблизи экватора и вдоль побережий Перу и Эквадора. Сдвиг теплой воды изменяет местоположение атмосферной конвекции, которая, в свою очередь, изменяет характер осадков, ветра и давления по всему миру.

Основные характеристики Эль-Ниньо

  • Повышение температуры поверхности моря в центральной и восточной части Тихого океана, часто превышающее 0,5 °C выше долгосрочного среднего значения в течение как минимум трех месяцев подряд.
  • Ослабленные торговые ветры, которые позволяют теплой воде двигаться на восток, подавляя подъем холодной, богатой питательными веществами воды вдоль южноамериканского побережья.
  • Измененные погодные условия , которые могут привести к сильным дождям в обычно сухие регионы и засухе в районы, которые обычно получают обильные осадки.
  • Влияние на морскую жизнь: снижение уровня апвеллинга снижает доступность питательных веществ, нарушая популяции рыб и экосистемы, которые от них зависят.
  • Глобальные климатические эффекты, которые простираются далеко за пределы тропической части Тихого океана, влияя на температуру и осадки на каждом континенте.

Эффекты Эль-Ниньо

Эффекты Эль-Ниньо могут быть драматичными и далеко идущими. Хотя точные воздействия варьируются в зависимости от силы и времени каждого события, некоторые закономерности последовательно наблюдаются:

  • Увеличение количества осадков в восточной части Тихого океана, особенно вдоль побережья Эквадора и северного Перу, часто приводит к наводнениям и оползням.
  • Засуха в Австралии и Юго-Восточной Азии, где подавленная конвекция уменьшает муссонные дожди, угрожая сельскому хозяйству и водоснабжению.
  • Более теплая зима в Северной Америке, особенно на севере Соединенных Штатов и в Канаде, в то время как на юге США погода более прохладная и влажная.
  • Разрушение морских экосистем: снижение уровня обогащения питательными веществами может привести к резкому падению рыбных запасов, что повлияет на рыболовство от Перу до Калифорнии.
  • Изменения в активности тропических циклонов: Эль-Ниньо имеет тенденцию подавлять формирование атлантических ураганов, одновременно усиливая штормовую активность в Тихом океане.

Что такое Ла-Нинья?

Ла-Нинья является холодным аналогом Эль-Ниньо. Она характеризуется охлаждением температуры поверхности моря в центральной и восточной экваториальной части Тихого океана, часто после Эль-Ниньо. Ла-Нинья представляет собой укрепление нормальных климатических условий в тропической части Тихого океана, с более прохладными, чем в среднем, температурами океана и более сильными торговыми ветрами. Как и Эль-Ниньо, Ла-Нинья может длиться от нескольких месяцев до года и более и имеет свой собственный набор глобальных воздействий.

Во время Ла-Нинья усиливаются пассаты, которые толкают теплые поверхностные воды дальше на запад и позволяют холодным глубоким водам подниматься вверх вдоль южноамериканского побережья. Этот охлаждающий эффект распространяется на большую часть экваториальной части Тихого океана, усиливая температурный градиент между теплым западом Тихого океана и более прохладным восточным Тихим океаном. Усиленный температурный контраст усиливает циркуляцию Уокера, крупномасштабную атмосферную петлю, которая влияет на погодные условия во всем мире.

Ключевые особенности Ла-Нинья

  • Более низкие температуры поверхности моря в центральной и восточной части Тихого океана, как правило, по крайней мере на 0,5 °C ниже среднего в течение нескольких месяцев подряд.
  • Усилились пассаты , которые усиливают поток теплой воды на запад и увеличивают подъем холодной воды.
  • Увеличилось обилие холодной воды вдоль экватора и западного побережья Южной Америки, что привело к появлению богатой питательными веществами воды на поверхности.
  • Глобальное воздействие на климат, которое часто приводит к противоположным эффектам, чем Эль-Ниньо, хотя региональные реакции могут варьироваться.

Эффекты Ла-Нинья

События Ла-Нинья связаны с различными погодными аномалиями, которые могут быть такими же впечатляющими, как и в Эль-Ниньо.

  • Увеличение количества осадков в Австралии и Индонезии, где усиленная конвекция приводит к более высоким, чем в среднем, муссонным дождям и частым наводнениям.
  • Более сухие условия в восточной части Тихого океана, особенно вдоль побережья Южной Америки, где подавленные осадки могут вызвать засуху.
  • Холодные зимы на севере Соединенных Штатов и более теплые зимы на юге США с увеличением снегопада на северо-западе Тихого океана и в районе Великих озер.
  • Усиление активности ураганов в Атлантике , поскольку снижение сдвига ветра и более теплые температуры поверхности моря в тропической Атлантике способствуют развитию шторма.
  • Более холодные, чем средние глобальные температуры, которые могут временно компенсировать некоторые из потепления от выбросов парниковых газов.

Механизмы, стоящие за Эль-Ниньо и Ла-Нинья

Эль-Ниньо и Ла-Нинья обусловлены сложным взаимодействием между океаном и атмосферой, петлей обратной связи, известной как обратная связь Бьеркнеса. В своей основе цикл ENSO представляет собой качели температуры поверхности моря и атмосферного давления в тропической части Тихого океана. Понимание этих механизмов является ключом к прогнозированию того, как будут развиваться события.

Взаимодействие океан-атмосфера

Тропический Тихий океан и атмосфера над ним плотно связаны. В нормальных условиях сильные торговые ветры толкают теплую поверхностную воду в сторону западной части Тихого океана, создавая теплый бассейн вблизи Индонезии. В восточной части Тихого океана холодная вода поднимается с глубины, создавая более холодную поверхность. Эта разница температур приводит к циркуляции, известной как клетка Уокера, где воздух поднимается над теплой западной частью Тихого океана, течет на восток на больших высотах, опускается над более прохладной восточной частью Тихого океана и возвращается на запад на поверхность.

Во время Эль-Ниньо пассаты ослабевают или поворачивают вспять, позволяя теплой воде смещаться на восток. Это ослабляет циркуляцию Уокера, сдвигая поднимающуюся ветвь ячейки в сторону центральной части Тихого океана. Изменение температуры поверхности моря изменяет атмосферные модели давления, что дополнительно изменяет силу ветра, создавая положительную обратную связь, усиливающую первоначальное потепление. Противоположное происходит во время Ла-Нинья: более сильные пассаты усиливают градиент температуры, усиливая циркуляцию Уокера и усиливая охлаждение.

Роль океанических течений и теплораспределения

Океанские течения играют решающую роль в перераспределении тепла во время событий ENSO. Экваториальный подводный поток, который течет на восток ниже поверхности, переносит холодную воду из западной части Тихого океана в восточную часть Тихого океана. Во время Эль-Ниньо этот подводный поток ослабевает, а во время Ла-Нинья усиливается. Кроме того, волны Россби и волны Кельвина — длинные океанические волны — перемещаются по бассейну, перенося тепло и изменяя высоту поверхности моря. Эти волны можно обнаружить за несколько месяцев, предоставляя ранние подсказки о предстоящем сдвиге ENSO.

Также способствуют изменения атмосферного давления. Южный колебатель относится к качели в давлении уровня моря между западной и восточной тропической частью Тихого океана. Отрицательный индекс южного колебания (отрицательная разница давления) связан с Эль-Ниньо, в то время как положительный индекс сигнализирует о Ла-Нинья. Это соединение давления связывает океан и атмосферу в единой системе.

Влияние на глобальную погоду

Эль-Ниньо и Ла-Нинья имеют значительные последствия для глобальных погодных условий, влияя на все, от осадков и температуры до частоты экстремальных явлений. Хотя нет двух одинаковых событий, десятилетия наблюдений выявили последовательные региональные воздействия.

Осадки и модели засухи

Сдвиг в тропической конвекции во время событий ENSO изменяет количество осадков на обширных территориях.Во время Эль-Ниньо основная зона осадков перемещается на восток, принося сильный дождь в центральную и восточную часть Тихого океана, в то время как западная часть Тихого океана и части Юго-Восточной Азии испытывают высыхание. Ла-Нинья меняет эту картину, с увеличением количества осадков над Индонезией, Филиппинами и северной Австралией. Эти изменения пульсируют в более высокие широты, влияя на муссоновые системы в Индии, Африке и Америках.

Температурные крайности

Эль-Ниньо обычно приводит к более теплым, чем в среднем, глобальным температурам, поскольку выброс тепла из восточной части Тихого океана повышает среднюю температуру планеты. Самые сильные события Эль-Ниньо, такие как те, что произошли в 1997-1998 и 2015-2016 годах, способствовали рекордному глобальному теплу. Ла-Ниньо оказывает охлаждающий эффект, хотя его влияние на глобальную температуру менее выражено. На региональном уровне Эль-Ниньо приносит более теплые зимы в северную часть Северной Америки и более прохладную, более влажную погоду в южные Соединенные Штаты. Ла-Нинья имеет тенденцию приносить более холодные зимы в северные США и Канаду.

Стихийные бедствия

События ENSO усиливают риск некоторых стихийных бедствий. Во время Эль-Ниньо увеличение осадков в восточной части Тихого океана может вызвать разрушительные наводнения и оползни в Перу, Эквадоре и частях Западного побережья США. Засуха в Австралии и Юго-Восточной Азии повышает риск лесных пожаров. Ла-Нинья, между тем, связана с большим количеством атлантических ураганов, которые могут нанести широкомасштабный ущерб вдоль Мексиканского залива и Восточного побережья США. В 2020 году сезон ураганов в Атлантике, сильно пострадавший от сильного Ла-Нинья, увидел рекордные 30 названных штормов.

Сельское хозяйство и продовольственная безопасность

Сельское хозяйство очень чувствительно к изменчивости погоды, вызванной ENSO. Засуха, связанная с Эль-Ниньо, может снизить урожайность в Австралии, Индонезии и частях Африки, что приводит к нехватке продовольствия и экономическим потерям. И наоборот, влажные условия Ла-Нинья в тех же регионах могут увеличить производство, но также увеличить риск наводнений и ущерба урожаям. В Северной и Южной Америке Эль-Ниньо может нарушить перуанский анчоусный промысел, основной источник рыбной муки, в то время как Ла-Нинья может принести благоприятные условия для рыболовства. Фермеры и политики используют прогнозы ENSO для руководства решениями о посадке, управлении водными ресурсами и накоплении продовольствия.

Подробнее о воздействии на сельское хозяйство см. в Продовольственная и сельскохозяйственная организация мониторинга Эль-Ниньо .

Региональные вариации

Последствия Эль-Ниньо и Ла-Нинья существенно различаются по регионам. Понимание этих нюансов имеет решающее значение для местной готовности:

  • Северная Америка: Эль-Ниньо приносит более влажные, чем обычно, условия на южный уровень США и более сухие условия на северо-запад Тихого океана. Ла-Нинья часто приводит к более холодным зимам на севере и увеличению риска лесных пожаров на юго-западе.
  • Южная Америка: Эль-Ниньо вызывает сильные дожди и наводнения в Перу и Эквадоре, в то время как засуха затрагивает части Бразилии и Аргентины. Ла-Нинья приносит противоположные условия, с более сухой погодой вдоль западного побережья и более влажными периодами в Амазонке.
  • Австралия и Океания: Эль-Ниньо тесно связан с засухой, жарой и снижением активности тропических циклонов.Ла-Нинья увеличивает вероятность наводнений, циклонов и более низких температур в восточной Австралии.
  • Африка: Эль-Ниньо имеет тенденцию подавлять количество осадков в Восточной Африке, способствуя засухе в таких странах, как Эфиопия и Кения, в то время как Ла-Нинья может принести дожди выше среднего в тот же регион, иногда вызывая наводнения.
  • Азия: Эль-Ниньо ослабляет индийский муссон, сокращая производство риса и пшеницы. Ла-Нинья может усилить муссон, принося пользу сельскому хозяйству, но также повышая риски наводнений.

Международный исследовательский институт климата и общества (FLT:0) предоставляет подробные региональные карты воздействия ENSO.

Мониторинг и прогнозирование Эль-Ниньо и Ла-Нинья

Прогнозирование событий ENSO является основным направлением науки о климате. Точные прогнозы могут спасти жизни и миллиарды долларов, позволяя правительствам, предприятиям и сообществам готовиться к экстремальным погодным условиям. Ученые используют комбинацию наблюдательных сетей и численных моделей для отслеживания состояния Тихого океана и прогнозирования будущих изменений.

Наблюдение за океаном и атмосферой

Ключевым инструментом является массив Тропического океана атмосферы (ТАО) , сеть буев, пришвартованных через экваториальную часть Тихого океана. Эти буи измеряют температуру поверхности моря, температуру подповерхности, скорость и направление ветра и давление воздуха в режиме реального времени. Спутниковые наблюдения предоставляют дополнительные данные о высоте поверхности моря, цвете океана и облачных моделях. Вместе эти системы дают ученым непрерывную картину условий океана.

Тихоокеанская морская экологическая лаборатория NAA управляет массивом TAO и предоставляет данные открытого доступа.

Климатические модели и прогнозы

Синоптики используют динамические и статистические модели для моделирования эволюции ENSO. Динамические модели решают физические уравнения, управляющие океаном и атмосферой, в то время как статистические модели полагаются на исторические отношения. Большинство операционных центров выдают прогнозы на девять месяцев вперед, хотя навыки снижаются примерно через шесть месяцев. Шлейф модельных прогнозов, показывающий диапазон возможных результатов, является стандартным продуктом от таких организаций, как Центр прогнозирования климата NOAA .

Важность систем раннего предупреждения

Системы раннего предупреждения необходимы для смягчения последствий событий ENSO. Всемирная метеорологическая организация координирует международные усилия по выпуску прогнозов ENSO, в то время как региональные агентства адаптируют прогнозы к местным потребностям. В Африке Центр прогнозирования и применения климата IGAD использует прогнозы ENSO для руководства готовностью к засухе. В Юго-Восточной Азии специализированный метеорологический центр АСЕАН контролирует Ла-Нинью для риска наводнений. Эти системы помогают фермерам решать, когда высаживать растения, водные менеджеры распределяют ресурсы и агентства по стихийным бедствиям предварительно устанавливают запасы помощи.

Заключение

Эль-Ниньо и Ла-Нинья — это не просто академические курьезы; они являются мощными драйверами глобальной изменчивости климата с реальными последствиями. Изменяя температуру поверхности моря, циркуляцию атмосферы и характер осадков, эти явления влияют на экосистемы, экономику и жизнь миллиардов людей. Достижения в области мониторинга и прогнозирования улучшили нашу способность предвидеть события ENSO, но проблемы остаются, особенно когда изменение климата может изменить частоту или интенсивность будущих событий. Продолжающиеся инвестиции в наблюдение за океаном, моделирование климата и системы раннего предупреждения имеют решающее значение для повышения устойчивости к естественным колебаниям Тихого океана. Понимание науки Эль-Ниньо и Ла-Нинья дает возможность обществам адаптироваться, планировать и процветать в переменном климате.