Атмосферные колебания — это крупномасштабные модели изменчивости климатической системы Земли, которые приводят к сезонным изменениям погоды по всему миру. Эти колебания возникают из-за взаимодействия между атмосферой и океанами, поверхностью суши и ледяным покровом. Смещение центров давления, управление струйными потоками и модуляция штормовых трасс влияют на температуру, осадки и ветровые модели в масштабе от недель до нескольких десятилетий. Понимание этих природных климатических явлений имеет важное значение для улучшения сезонных прогнозов, управления водными ресурсами, планирования сельскохозяйственных операций и подготовки к экстремальным погодным явлениям.

Типы атмосферных колебаний

Наиболее заметными и хорошо изученными являются Эль-Ниньо-южное колебание (ENSO), Североатлантическое колебание (NAO), Арктическое колебание (AO), Тихоокеанское десятичное колебание (PDO) и Мэдден-Джулианское колебание (MJO). Каждое из этих колебаний работает в разных пространственных масштабах и временных рамках, и каждое оставляет уникальный отпечаток на региональных климатах.

Эль-Ниньо – Южное колебание (ENSO)

ENSO, пожалуй, является наиболее влиятельным атмосферно-океаническим колебанием, сосредоточенным в экваториальной части Тихого океана. Он колеблется между тремя фазами: Эль-Ниньо (теплая фаза), Ла-Нинья (холодная фаза) и нейтральными условиями. Во время Эль-Ниньо температура поверхности моря в центральной и восточной тропической части Тихого океана поднимается значительно выше среднего, ослабляя обычные восточные пассаты и сдвигая местоположение глубокой атмосферной конвекции. Эта перестройка тепла и влаги вызывает каскад телесоединений — атмосферные мосты, связывающие тропические источники тепла с внетропическими погодными условиями. Например, Эль-Ниньо обычно приносит более влажные, чем обычно, условия в южный ярус Соединенных Штатов и части восточной Африки, вызывая засуху в Индонезии, северной Австралии и бассейне Амазонки, часто связанную с более сильным реактивным потоком Тихого океана, более холодными зимами в частях Северной Америки и повышенной активностью ураганов в Атлантике.

Научное понимание ENSO значительно продвинулось с 1980-х годов, что позволило прогнозировать его развитие за несколько месяцев до этого. Центр прогнозирования климата NOAA предоставляет рутинные прогнозы ENSO, опираясь на океанские буи, спутниковую альтиметрию и связанные климатические модели. Несмотря на этот прогресс, точную эволюцию ENSO трудно предсказать за 6-9 месяцев из-за внутреннего атмосферного шума и стохастического воздействия.

Североатлантическая осцилляция (НАО)

NAO является доминирующим режимом изменчивости климата над Североатлантическим регионом, определяемым разницей в давлении уровня моря между исландским Низким и Азорским Высоким. Его положительная фаза имеет более сильный, чем средний, градиент давления, который направляет штормы вдоль более северного пути, принося мягкие и влажные зимы в северную Европу и северную Северную Америку, в то время как средиземноморский регион испытывает более сухие условия. В отрицательной фазе градиент давления ослабевает, позволяя холодным воздушным массам окунуться на юг, что приводит к более холодным зимам в восточной части Северной Америки и Европы и более штормовой погоде над средиземноморским бассейном.

The NAO’s variability is influenced by ocean temperatures, sea ice extent, and stratospheric dynamics. Decadal shifts in the NAO can modulate the frequency of blocking events and have significant implications for winter energy demands, transportation, and ecosystems. For instance, the highly negative NAO during the winter of 2009–2010 contributed to record-breaking snowfall in parts of the United Kingdom and the eastern United States.

Арктическая осцилляция (AO)

АО тесно связано с НАО, но фиксирует кольцевую (кольцевую) изменчивость по всему Северному полушарию в средних и высоких широтах. Его индекс отражает силу полярного вихря. Положительный АО соответствует сильному полярному вихре, который ограничивает холодный воздух Арктикой, что приводит к мягким зимам в средних широтах. Отрицательный АО ослабляет вихрь, позволяя холодному воздуху разливаться на юг, как это произошло во время печально известных вспышек «полярного вихря» в последние годы. АО работает в временных рамках от недель до месяцев и также связан с изменениями в характере стратосферного ветра. Переменность в АО связана с евразийским снежным покровом, снижением арктического морского льда и глобальным потеплением.

Тихоокеанское десятилетнее колебание (PDO)

PDO - это долгоживущая модель изменчивости климата в Тихом океане, похожая на ENSO, но работающая в течение 20-30 лет. Его подпись лучше всего видна в аномалиях температуры поверхности моря в северной части Тихого океана. Теплая (положительная) фаза PDO обычно совпадает с повышенной частотой Эль-Ниньо и более теплыми температурами вдоль западного побережья Северной Америки, в то время как прохладная (отрицательная) фаза благоприятствует Ла-Нинья и более прохладным условиям. PDO оказывает существенное влияние на рыболовство лосося, режимы лесных пожаров и доступность пресной воды на северо-западе Тихого океана. Он также модулирует воздействие ENSO, иногда усиливая или подавляя его телесоединения.

Madden-Julian Oscillation (MJO)

MJO — это тропическое возмущение, которое распространяется на восток по всему миру каждые 30—60 дней, неся усиленные и подавленные осадки в когерентной полосе. Это решающий фактор субсезонной изменчивости, преодолевая разрыв между погодой и климатом. Во время своей активной конвективной фазы MJO может вызвать циклогенез в Индийском океане и западной части Тихого океана, в то время как его подавленная фаза приводит к сухим заклинаниям. MJO также взаимодействует с ENSO, часто действуя как триггер для инициирования Эль-Ниньо или Ла-Нинья. Точное предсказание MJO является ключевой целью проекта прогнозирования от субсезонного до сезонного (S2S), управляемого Всемирной программой исследований погоды.

Физические механизмы, приводящие к атмосферным колебаниям

Атмосферные колебания возникают из-за фундаментальных физических процессов: дифференциального нагрева поверхности Земли Солнцем, сохранения углового момента и динамических неустойчивостей в жидкой атмосфере. Связь океан-атмосфера усиливает и продлевает многие колебания. Например, в ENSO изменения температуры поверхности моря изменяют характер ветра, который, в свою очередь, изменяют океанские течения и апвеллинг, усиливая температурную аномалию. Эта положительная обратная связь отвечает за устойчивость ENSO в течение многих месяцев.

Волны Россби — крупномасштабные извилины в верхнем уровне Вестерли — служат основным механизмом, связывающим тропические и полярные широты. Когда тропическая конвекция усиливается (как в MJO или Эль-Ниньо), она возбуждает волновые поезда Россби, которые дугами движутся к полюсам, перераспределяя импульс и тепло. Эти волновые поезда могут стать квазистационарными, устанавливая постоянные хребты или желоба, которые приводят к экстремальным погодным явлениям, таким как волны тепла, наводнения или похолодания.

Стратосферные процессы также играют роль. Внезапные стратосферные потепления (ССВ) могут нарушить полярный вихрь, часто приводя к отрицательной фазе АО и увеличению вспышек холодного воздуха на поверхности. Двусторонняя связь между тропосферой и стратосферой является активной областью исследований, особенно в контексте изменения климата.

Влияние на сезонную погоду и экстремальные климатические условия

Влияние атмосферных колебаний на сезонную погоду глубокое.Изменяя положение и интенсивность струйных потоков, они контролируют пути штормов и распределение осадков и температурных аномалий.

Зимние последствия

Зимой АО и НАО доминируют в погодных условиях по всему Северному полушарию. Отрицательная АО позволяет полярному вихре колебаться и растягиваться, направляя арктический воздух в США, Европу и Азию. Это ярко продемонстрировано в феврале 2021 года, когда отрицательная АО в сочетании с ослаблением полярного вихря отправила экстремальную холодную волну в Техас, вызвав широко распространенные перебои в подаче электроэнергии и экономические потери. Напротив, положительная АО зимой обычно держит холодный воздух запертым в Арктике, что приводит к более мягким условиям в средних широтах — хотя часто сопровождается повышенной штормовостью в северной Европе.

ENSO также оказывает сильное зимнее воздействие. Зимы Эль-Ниньо обычно приносят более влажные условия на юг Соединенных Штатов и более прохладную, более штормовую погоду в части Южной Америки. Зимы Ла-Нинья наклоняют шансы на более сухие условия на юго-западе и юго-востоке США, но более влажная погода на северо-западе Тихого океана.

Лето и муссон влияют

Атмосферные колебания также влияют на теплую погоду в сезон. ENSO сильно модулирует индийские и азиатские муссоны. Эль-Ниньо связан с более слабым муссоном и уменьшением количества осадков над Индией, в то время как Ла-Нинья имеет тенденцию усиливать муссонный осадок - связь, которая лежит в основе многих сезонных прогнозов для сельского хозяйства Южной Азии. MJO, с его 30-60-дневным циклом, производит чередующиеся влажные и сухие периоды через тропики, влияя на посадку риса, риск наводнения и время активности тропического циклона. Над Северной Америкой фаза PDO может изменить летнюю позицию Северо-Тихоокеанского Высокого, влияя на засуху в западной части США.

Экстремальные события

Атмосферные колебания напрямую связаны со многими известными экстремальными явлениями:

  • Эль-Ниньо 2015–2016: Один из самых сильных в истории, он способствовал глобальному обесцвечиванию кораллов, сильной засухе в южной Африке и наводнениям в прибрежной Южной Америке.
  • Ла-Нинья 2010–2011: Связано с разрушительными наводнениями в Квинсленде, Австралия, и экстремальными снегопадами в некоторых частях Северной Америки.
  • Негативные зимы АО (2009–2010, 2013–2014): Привезли «Сноумагеддон» в Вашингтон, округ Колумбия, и несколько эпизодов полярного вихря по всей восточной части США.
  • Положительная зима NAO 2019–2020: Внесла свой вклад в очень мягкую, влажную зиму в Северной Европе с рекордной частотой штормов.

Мониторинг атмосферных колебаний

Непрерывный мониторинг атмосферных колебаний опирается на интегрированную глобальную систему наблюдений.

  • Спутниковое дистанционное зондирование: Такие приборы, как микроволновые радиометры, скаттерометры и инфракрасные датчики, измеряют температуру поверхности моря, высоту уровня моря, напряжение ветра и атмосферную влагу. Эти данные в реальном времени используются для анализа ENSO, MJO и других моделей.
  • Наблюдения на месте: Решетка буев Тропического океана атмосферы (TAO) в экваториальной части Тихого океана предоставляет критически важные данные о недрах и поверхности для мониторинга ENSO.
  • Наборы данных для анализа: продукты, такие как повторный анализ ERA5 (Европейский центр среднесрочных прогнозов погоды), объединяют исторические наблюдения с передовой ассимиляцией данных для обеспечения согласованных многодекадных записей атмосферных и океанических полей.
  • Климатические индексы: Стандартизированные индексы (например, ONI для ENSO, индекс NAO, индекс AO, индекс PDO, RMM для MJO) регулярно вычисляются NOAA, JMA и другими центрами, что позволяет легко отслеживать фазу колебаний и амплитуду.

Такие организации, как Центр прогнозирования климата (FLT:0) NOAA, выпускают еженедельные и ежемесячные обновления этих индексов, в то время как Международный научно-исследовательский институт климата и общества (IRI) (FLT:2) предоставляет сезонные прогнозы, которые включают динамику колебаний.

Прогнозирование и прогнозирование вызовов

Прогнозирование эволюции атмосферных колебаний является серьезной проблемой из-за хаотического характера климатической системы. В то время как прогнозы ENSO стали умелыми за шесть месяцев до начала сильных событий, прогнозирование точного наступления Эль-Ниньо или Ла-Нинья остается трудным. Весенний барьер - период низкой предсказуемости в моделях ENSO - представляет собой повторяющееся препятствие.

Для НАО и АО детерминированные прогнозы теряют квалификацию в течение примерно двух недель, хотя вероятностные субсезонные прогнозы неуклонно улучшаются. МЮО несколько более предсказуем, с квалификацией до 3-4 недель, в основном потому, что его распространение тесно связано с тропической конвекцией и динамикой влажности.

Изменение климата вносит дополнительную неопределенность. Некоторые исследования предполагают, что антропогенное воздействие может изменять частоту, интенсивность или пространственные закономерности определенных колебаний. Например, прогнозы указывают на возможное увеличение амплитуды ENSO или сдвиг в сторону более экстремальных событий Эль-Ниньо при сценариях с высоким уровнем выбросов. Укрепление субтропической струи и сдвиг полюсов штормовых трасс также может изменить поведение NAO, хотя разногласия в модели остаются высокими.

Практические применения и преимущества

Понимание и прогнозирование атмосферных колебаний дает ощутимые социальные выгоды:

  • Фермеры используют сезонные прогнозы на основе ENSO, чтобы решить, какие культуры сажать, когда сажать и инвестировать ли в ирригацию. Например, надежные прогнозы ENSO в теплое время года помогают австралийским производителям пшеницы управлять риском засухи.
  • Управление водными ресурсами:] Операторы водохранилищ на западе США на этапах PDO и ENSO выделяют воду для сельского хозяйства, гидроэнергетики и городского использования. Сроки и величина стока таяния снега часто предсказуемы на основе этих колебаний.
  • Готовность к стихийным бедствиям: Агентства по управлению стихийными бедствиями используют прогнозы MJO и ENSO для прогнозирования рисков наводнений в Юго-Восточной Азии или потенциала лесных пожаров в Амазонии.
  • Планирование энергетического рынка:] Коммунальные компании моделируют спрос на отопление зимой на основе индексов NAO и AO. Сильный положительный NAO указывает на более низкое потребление энергии в Северной Европе, в то время как отрицательная фаза сигнализирует о более высоком спросе.
  • Сезонные прогнозы температуры и экстремальных осадков помогают чиновникам здравоохранения подготовиться к волнам тепла, холодным периодам и вспышкам трансмиссивных заболеваний, таких как малярия, которые часто распространяются быстрее после сильных дождей, связанных с Ла-Нинья в Африке.

Вывод: The Bigger Picture

Атмосферные колебания не являются изолированными явлениями, а являются взаимосвязанными компонентами климатической системы Земли. ENSO, NAO, AO, PDO и MJO взаимодействуют сложными способами. Например, состояние PDO может усиливать или подавлять телесоединения ENSO по всей Северной Америке. MJO может вызывать или подавлять события ENSO. И стратосферная изменчивость, частично обусловленная QBO (Квазибиенналеарное колебание), оказывает нисходящее влияние на AO и, следовательно, на поверхностные погодные условия.

Достижения в области вычислительной мощности, спутниковых технологий и ассимиляции данных неуклонно улучшают нашу способность контролировать и прогнозировать эти колебания. Глобальная рамочная программа климатических услуг (GFCS) и международная исследовательская инициатива S2S способствуют созданию нового поколения бесшовных систем прогнозирования, которые переходят от погоды к климатическим временным шкалам. По мере развития этих инструментов общества во всем мире станут лучше оснащены для управления изменчивостью климата и адаптации к долгосрочным тенденциям, наложенным глобальным потеплением.

Для читателей, заинтересованных в более глубоком исследовании, портал NOAA Climate.gov предлагает доступные праймеры на каждой колебания, в то время как Климатические страницы Метеорологической службы Великобритании предоставляют региональные сводки воздействия. Понимание этих естественных двигателей сезонной изменчивости является краеугольным камнем климатической грамотности в 21 веке.