Модификация Эль-Ниньо в условиях меняющегося климата

Гущина, Дарья Юрьевна

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Модификация Эль-Ниньо в условиях меняющегося климата
ВАК РФ 25.00.30, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Модификация Эль-Ниньо в условиях меняющегося климата"

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В.ЛОМОНОСОВА ГЕОГРАФИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

МОДИФИКАЦИЯ ЭЛЬ-НИНЬО В УСЛОВИЯХ МЕНЯЮЩЕГОСЯ КЛИМАТА: МОНИТОРИНГ, ПРИЧИНЫ, УДАЛЕННЫЙ ОТКЛИК

25.00.30 - метеорология, климатология, агрометеорология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора географических наук

На пр

ГУЩИНА Дарья Юрьевна

24 АПР 20Ц

005547517

Москва, 2014

005547517

Работа выполнена на кафедре метеорологии и климатологии географического факультета ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова»

Официальные оппоненты:

Володин Евгений Михайлович, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник ФГБУН Институт вычислительной математики Российской академии наук

Переведенцев Юрий Петрович, доктор географических наук, профессор, заведующий кафедрой метеорологии, климатологии и экологии атмосферы отделения географии и туризма Института экологии и географии ФГАОУ ВПО «Казанский (Приволжский) федеральный университет»

Угрюмов Александр Иванович, доктор географических наук, профессор кафедры метеорологических прогнозов метеорологического факультета ГОУ ВПО «Российский государственный гидрометеорологический университет»

Ведущая организация:

ФГБУН Институт физики атмосферы им. А.М.Обухова Российской академии наук

Защита состоится 22 мая 2014 г. в 15 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 501.001.68 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова» по адресу: 119991, г. Москва, ГСП-1, Ленинские горы, ГЗ МГУ, географический факультет, 18 этаж, аудитория 1801 (тел.: +7 495 9391420, факс: +7 495 9328836, e-mail: science@geogr.msu.ru).

С диссертацией можно ознакомиться в Фундаментальной научной библиотеке Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова по адресу Ломоносовский пр-т, д. 27. Автореферат размещен на сайте географического факультета Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова: www.geogr.msu.ru. Отзывы на автореферат присылать в двух экземплярах, заверенных печатью организации, на адрес диссертационного совета.

Автореферат разослан « » anp&A 3_2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор геолого-минералогических наук, профессор

В.С.Савенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Эль-Ниньо - Южное колебание (ЭНЮК) является наиболее ярким примером ко-роткопериодной изменчивости климата (на межгодовых масштабах). Его социально-экономические последствия беспрецедентны (засухи, наводнения, сокращение рыбных уловов, потери урожая, увеличение числа тропических циклонов, гибель кораллов). Изучение механизмов этого природного феномена является ключом к пониманию и прогнозированию экстремальных погодных явлений, а также расширяет возможности приспособления общества к климатическим флуктуациям.

Задача прогноза столь масштабного феномена сопряжена с серьезными трудностями. Одной из главных проблем является нерегулярность его возникновения и изменение характеристик (амплитуды, частоты) от события к событию.

На настоящий момент существует два подхода для объяснения изменчивости явления Эль-Ниньо. В рамках первого подхода изменчивость ЭНЮК рассматривается как следствие крупномасштабных низкочастотных процессов протекающих как в океане, так и в атмосфере, таких как изменение характеристик теплосодержания океана, термохалинная циркуляция, а также постепенное изменение структуры общей циркуляции атмосферы. Изменения этих характеристик на масштабах десятилетий способны вызывать изменение среднего состояния системы океан-атмосфера, которое может благоприятствовать возникновению Эль-Ниньо или наоборот [Dewitte and Gushchina, 2010]. Однако учет только долгопериодной изменчивости не всегда позволяет объяснить формирование в тропиках условий, благоприятных для развития Эль-Ниньо. Поэтому появилась вторая группа теорий, которая базируется на предположении, что нерегулярность ЭНЮК может определяться неустойчивым взаимодействием тропического океана и атмосферы на временных масштабах значительно меньших, чем само Эль-Ниньо (с периодом от нескольких дней до сезона), так называемой внутрисезонной тропической изменчивостью (ВТИ). Данный подход, по сути, является одним из частных случаев теории стохастического воздействия на крупномасштабные процессы, широко используемого во многих науках, в том числе в геофизике [Hasselman, 1976; Демченко и Кислов, 2010]. ВТИ является ключевым элементом климатической системы тропического Тихого океана. С одной стороны, она может зарождаться в других районах тропиков и, таким образом играть роль удаленного внешнего воздействия для системы тропического Тихого океана. С другой стороны, вну-трисезонная изменчивость может выступать в роли хаотического воздействия на

климатическую систему тропического Тихого океана, приводя к долгопериодным изменениям характеристик Эль-Ниньо (амплитуды, сезонности, повторяемости). Понимание взаимодействия между ВТИ и ЭНЮК является, таким образом, чрезвычайно актуальной задачей для мирового научного сообщества, ее решение позволит улучшить качество прогнозов атмосферных явлений в тропической зоне в широком спектре временных масштабов (от внутрисезонных до десятилетних).

Климат планеты непрерывно изменяется, что не может не сказываться на состоянии взаимодействующей системы тропический океан-атмосфера. Даже за относительно короткий период инструментальных наблюдений в тропиках Тихого океана зафиксировано увеличение температуры воды, которое, несомненно, сказалось на характеристиках явления Эль-Ниньо. Эти изменения оказались настолько существенными, что появилось предположение о существовании новой разновидности явления Эль-Ниньо, которая характеризуется аномалиями температуры поверхности океана (ТПО), локализованными в центре Тихого океана, в отличие от канонического Эль-Ниньо, развивающегося на востоке [Петросянц и др., 2005; АэЬок е1 а1., 2007; е1 а1., 2009]. Механизмы формирования этого типа Эль-Ниньо (называемого Эль-Ниньо Модоки) на настоящий момент практически не изучены. Однако, увеличение повторяемости Эль-Ниньо Модоки в последние десятилетия позволяет поставить вопрос о взаимосвязи между модификацией ЭНЮК и глобальным потеплением климата.

В силу изменения локализации аномалий ТПО в период Эль-Ниньо Модоки отклик климатической системы, как в пределах тропиков, так и в удаленных районах может существенно изменяться. Максимальная чувствительность атмосферы к воздействию со стороны океана отмечается в регионе индо-тихоокеанского теплого бассейна, где наиболее развиты процессы глубокой конвекции, несмотря на то, что максимальные аномалии в тропическом океане наблюдаются на востоке Тихого океана. Удаленный климатический отклик, эффективность которого зависит как от интенсивности воздействия со стороны океана (амплитуда аномалий ТПО), так и от атмосферной чувствительности к этому воздействию, будет в большей степени управляться процессами, происходящими в центре, а не на востоке Тихого океана. Поэтому исследование отклика глобальной атмосферы на явление Эль-Ниньо Модоки, локализованное в центральной части Тихого океана, является актуальным научным вопросом.

Объекты исследования - явление Эль-Ниньо - Южное Колебание, компоненты атмосферной внутрисезонной тропической изменчивости: колебания Мадде-на-Джулиана, экваториальные конвективно-связанные волны Кельвина и Россби.

Предмет исследования - взаимодействие между внутрисезонной тропической изменчивостью и ЭНЮК в условиях меняющегося климата и дальние связи ЭНЮК.

Целью работы является разработка механизма формирования двух типов Эль-Ниньо - канонического и Модоки, основанного на стохастическом воздействии процессов внутрисезонного масштаба.

В соответствии с поставленной целью сформулированы основные задачи исследования:

• исследовать характеристики внутрисезонной изменчивости (интенсивность, скорость распространения возмущений) основных метеорологических полей и оценить их воспроизведение в моделях различной степени сложности;

• определить роль колебаний Маддена-Джулиана и конвективно-связанных экваториальных волн в механизме генерации ЭНЮК, а также изменения взаимосвязей ВТИ/ЭНЮК на различных временных масштабах от сезонных до десятилетних по данным наблюдений и численных моделей атмосферы;

• разработать механизм эволюции двух типов Эль-Ниньо: канонического и Модоки;

• проанализировать изменения характеристик Эль-Ниньо в условиях потепления климата;

• модифицировать и адаптировать объединенную модель океана-атмосферы промежуточной степени сложности ЬОБСА-С)ТСМ для исследования механизмов ЭНЮК;

• разработать метод оценки особенностей крупномасштабной циркуляции с помощью нового индекса циркуляции — циркуляции скорости ветра по кругу широты или контуру центров действия атмосферы;

• исследовать примеры удаленного отклика на аномалии, связанные с двумя типами Эль-Ниньо.

Положения, выносимые на защиту

Взаимодействие между процессами внутрисезонного масштаба в тропиках и Эль-Ниньо имеют ярко выраженный сезонный характер. Ключевую роль в генерации Эль-Ниньо играет интенсификация колебаний Маддена-Джулиана на западе Тихого океана весной Северного полушария и экваториальных волн Россби в центре Тихого океана летом, предшествующим кульминации Эль-Ниньо в конце года.

Тихом океане. В случае канонического Эль-Ниньо волна Кельвина достигает побережья Южной Америки в конце календарного года и вызывает потепление поверхностных вод за счет глубокого залегания термоклина. В случае Эль-Ниньо Модоки волна не распространяется дальше центра Тихого океана из-за наличия барьера плотности, повышение ТПО возникает за счет адвекции теплых вод и заглубления термоклина.

Вклад процессов внутрисезонного масштаба в развитие двух типов Эль-Ниньо различен. В условиях канонического Эль-Ниньо увеличение интенсивности колебаний Маддена-Джулиана и экваториальных волн Россби способствует развитию явления. При Эль-Ниньо Модоки ВТИ способствует сохранению аномалии ТПО и более медленному уменьшению температуры поверхности океана в фазу исчезновения Эль-Ниньо.

Аномалии ТПО и основных метеорологических полей в период двух типов Эль-Ниньо существенно различаются между собой (различия значимы на 90% уровне вероятности). В условиях Эль-Ниньо Модоки, зона высокой ТПО, соответствующие ей зоны аномальных восходящих движений, осадков и конвекции смещены на запад относительно их положения в условиях канонического Эль-Ниньо.

В условиях глобального потепления климата происходит постепенное ослабление канонических явлений Эль-Ниньо, в результате чего явление Модоки становится более интенсивным по сравнению с каноническим. В целом, амплитуда аномалий всех параметров в период обоих типов Эль-Ниньо уменьшается, что свидетельствует об ослаблении явления Эль-Ниньо при более высокой средней температуре океана.

Эль-Ниньо Модоки вызывает более интенсивный отклик в глобальной и региональной циркуляции тропических и умеренных широт, при этом характер отклика не сильно изменяется по сравнению с каноническим Эль-Ниньо.

Разработанная модифицированная версия модели промежуточной степени сложности ЬОБСА-<ЗТСМ в пределах тропической зоны сопоставима по качеству воспроизведения атмосферных полей с полными моделями общей циркуляции атмосферы и позволяет исследовать механизмы формирования Эль-Ниньо.

Методика оценки крупномасштабной атмосферной циркуляции с помощью нового индекса циркуляции - циркуляции скорости ветра по замкнутому контуру -позволяет анализировать удаленный отклик глобальной циркуляции на процессы в тропиках, тестировать модели общей циркуляции атмосферы, использовать данные об аномалиях циркуляции по контурам подвижных циклонов и центров действия атмосферы как предиктор аномалий температуры и осадков в их пределах.

Научная новизна работы

Впервые определена важная роль экваториальных атмосферных волн Россби в механизме генерации аномалии ТПО в период Эль-Ниньо, показано, что вклад волн Россби сопоставим с вкладом колебаний Маддена-Джулиана.

Впервые выявлено, что различная скорость возникновения и исчезновения аномалий ТПО в период двух типов Эль-Ниньо определяется воздействием МЮ и экваториальных конвективно-связанных волн.

Впервые обнаружено, что взаимодействие между колебаниями Маддена-Джулиана, экваториальными волнами Россби и аномалиями ТПО существенно различается в периоды высокой и слабой интенсивности ЭНЮК.

Впервые определен отклик средней зональной циркуляции и циркуляции в центрах действия атмосферы на Эль-Ниньо Модоки.

Предложена новая методика оценки крупномасштабной атмосферной циркуляции и ее отклика на аномалии в тропиках с помощью введенного модифицированного индекса циркуляции - циркуляции скорости ветра по замкнутому контуру.

Практическая значимость работы заключается в том, что ее результаты позволили усовершенствовать понимание механизмов генерации ЭНЮК и его модификации в условиях меняющегося климата, а также оценить изменение удаленного отклика на аномалии, связанные с разными типами Эль-Ниньо.

Полученные результаты и выводы диссертации могут быть востребованы в метеорологии, климатологии и физической океанологии:

• для определения вклада процессов внутрисезонного масштаба в изменчивость характеристик Эль-Ниньо;

• для понимания причин апериодичности цикла ЭНЮК;

• для определения механизмов формирования двух различных типов Эль-Ниньо;

• для оценок аномалий, возникающих в океане и атмосфере при двух типах Эль-Ниньо;

• для оценки изменения явления Эль-Ниньо при потеплении климата;

• для оценок удаленного отклика в тропиках и внетропических широтах на явление ЭНЮК;

• для улучшения достоверности прогнозов Эль-Ниньо.

Личный вклад автора

в анализе характеристик ВТИ и определении их вклада в механизм формирования Эль-Ниньо, анализе распределения аномалий в океане и атмосфере в условиях канонического Эль-Ниньо и Эль-Ниньо Модоки, оценке влияния среднего состояния океана-атмосферы на повторяемость двух типов Эль-Ниньо, определении изменений характеристик Эль-Ниньо в условиях потепления климата. В соавторстве с М.А. Петросянцем разработан новый метод оценки особенностей крупномасштабной циркуляции, основанный на анализе нового индекса циркуляции. В соавторстве с д-ром Девиттом разработана объединенная модель промежуточной степени сложности ЬСЮСА-<ЗТСМ. Автору принадлежит включение блока ассимиляции данных наблюдений в атмосферную компоненту, проведение прогностических экспериментов и оценка прогностической способности модели, тестирование атмосферной модели С>ТСМ и проведение экспериментов на модели, описанных в диссертации. В соавторстве с д-ром Сереной Иллиг и д-ром Девиттом исследован механизм взаимодействия между Эль-Ниньо и процессами в экваториальной Атлантике.

Основные результаты диссертационной работы были доложены на 16 международных и 6 отечественных конференциях, в том числе на международной конференции по подведению итогов программы ТОГА (Мельбурн, Австралия, 1995), международных конференциях «Тропическая климатология, метеорология и гидрология» (Брюссель, Бельгия, 1996, 2001), международном симпозиуме «Мониторинг океана в 2000-х годах, интегральный подход» (Биарриц, Франция, 1997), генеральных ассамблеях Европейского геофизического общества (1999, 2009), Мировом симпозиуме по изменениям климата (Москва, Россия, 2003), Международной конференции по метеорологии и океанологии Южного полушария (Нумеа, Новая Каледония, 2012).

Публикации

Автор имеет 63 опубликованных работы, из них по теме диссертации опубликовано 46 научных работ, в том числе 7 монографий и разделов в коллективных монографиях, 18 статей в научных журналах и изданиях, которые включены в перечень российских рецензируемых научных журналов и изданий для опубликования основных научных результатов диссертаций, а также 7 работ в зарубежных научных изданиях.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы и содержит 425 страниц компьютерного текста, включая 190 рисунков, 22 таблицы и список литературы из 464 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследований, показана научная новизна, практическая значимость работы и личный вклад автора, представлены основные положения, выносимые на защиту; приводятся сведения об апробации работы.

Глава 1. Эль-Ниньо - Южное колебание и внутрисезонная тропическая изменчивость: мониторинг и механизмы формирования.

Эль-Ниньо - Южное колебание (ЭНЮК) - это глобальное климатическое явление, характеризующееся крупномасштабным потеплением поверхностного слоя океана и одновременной перестройкой атмосферного давления в экваториальном Тихом океане, приводящих к ослаблению и смещению зональной вертикальной ячейки Уокера и зон конвергенции и дивергенции воздуха в тропической атмосфере. ЭНЮК оказывает существенное воздействие на климат и погоду как тропических, так и внетропических широт.

Существующие на настоящий момент теории ЭНЮК могут быть разделены на шесть групп: (1) теории неустойчивого взаимодействия океана-атмосферы, порождающего низкочастотные моды в океане («slow coupled mode theories»), например [Philander et al., 1984; Gill, 1985; Neelin and Jin, 1993], (2) теория запаздывающего осциллятора [Suarez and Schopf, 1988; Battisti and Hirst, 1989], (3) теория адвективно-отражательного осциллятора [Picaut et al., 1997], (4) теория осциллятора в западном Тихом океане [Weisberg and Wang, 1997], (5) теория осциллятора, основанная на расходе-возобновлении теплосодержания океана («the recharge-discharge oscillator theory»), [Jin, 1997] и (6) теории, базирующиеся на гипотезе стохастического возбуждения Эль-Ниньо, [McWilliams and Gent, 1978; Dijkstra and Burgers, 2002; Larkin and Harrison, 2002; Kessler, 2002].

Для объяснения колебательной природы ЭНЮК теории (2), (3) и (4) групп базируются на свободном распространении экваториальных океанических волн. Теории групп (1) и (5) явным образом включают взаимодействие океана-атмосферы для объяснения характеристик неустойчивого роста аномалий в Тихом океане, наблюдающихся в период ЭНЮК. Теории шестой группы дополняют предыдущие путем включения влияния высокочастотной изменчивости в систему, а именно стохастического воздействия со стороны атмосферы.

Одной из теорий, наиболее логично объясняющих квазицикличный характер ЭНЮК, является теория запаздывающего осциллятора. В рамках этой концепции теплые и холодные эпизоды ЭНЮК рассматриваются как фазы самоподдерживаю-

щегося цикла, обеспеченного взаимодействием ТПО, приземного ветра и толщины верхнего перемешанного слоя Тихого океана в тропиках (или глубиной залегания термоклина). Толчком к развитию Эль-Ниньо является западная аномалия ветра, возникающая на западе Тихого океана. Западная аномалия ветра, согласно теории Экмана, вызывает конвергенцию вод у экватора, что приводит к подъему уровня океана. Для сохранения равновесия нижняя граница перемешанного слоя должна опуститься, при этом глубина залегания термоклина увеличится (на рис. 1 эта аномалия показана оранжевым цветом). Приток водных масс к экватору генерирует отрицательную аномалию уровня океана во внеэкваториальных районах (на рис.1 показана синим цветом). Возникшие аномалии далее распространяются в виде волн: на экваторе на восток в виде захваченной волны Кельвина (в роли границы выступает экватор, где сила Кориолиса меняет знак), вне экватора на запад в виде волны Россби. Волна Кельвина переносит аномалии, возникшие на западе Тихого океана, на восток, за 75 дней она достигает Южной Америки (рис.2б). По мере распространения волны на восток на всем протяжении экваториального Тихого океана отмечается заглубление термоклина. Пространственный масштаб океанической волны Кельвина таков, что половина длины волны (положительная аномалия) охватывает все расстояние от Индонезии до Южной

с.ш. 25° 15°

го

8. о° э

15° ю.ш. 25°

в.д. 140° ,' 180° 140° \ 120° з.д.

долгота \

широта широта

Рис. 1. Теоретическая схема океанических волн Кельвина (оранжевый цвет) и Россби (синий цвет), сгенерированных западной ано малией ветра на экваторе (вверху), и меридиональная структура волны Россби (слева внизу) и волны Кельвина (справа внизу). Аномалии уровня океана (см).

Волна Россби Волна Кельвина

приподнятым термоклин

заглубленный термоклин

Америки. Заглубление термоклина вызывает наиболее сильный отклик в температуре поверхностных вод у побережья Южной Америки. Это связано с развитием в данном регионе апвеллинга. В условиях Эль-Ниньо апвеллинг сохраняется, хотя и несколько ослаблен, однако заглубление термоклина приводит к тому, что поднимающиеся воды имеют более высокую температуру, чем в нормальных условиях, охлаждения поверхностного слоя глубинными водами не происходит. Кроме этого, потеплению способствует и воздействие со стороны атмосферы. Интенсивность апвеллинга в значительной степени контролируется действием на океан пассатных течений — юго-восточные пассаты Южного полушария увлекают поверхностные воды от материка, а им на смену снизу поднимаются более холодные водные массы. При уменьшении интенсивности пассата в период Эль-Ниньо апвеллинг ослабевает, что способствует повышению ТПО. Отразившись от берегов Южной Америки волна Кельвина превращается в волну Россби и переносит положительную аномалию уровня океана на запад (рис.2в). Начальная волна Россби, с термоклином, расположенным близко к поверхности океана, наоборот доходит до Индонезии, отражается в виде волны Кельвина и несет к Южной Америке отрицательную аномалию уровня океана (рис.2в). Когда она достигает восточных районов Тихого океана цикл замыкается (рис.2г).

25 дней

а)

б)

75 дней

с.ш. 40° 20° 0° 20° ю.ш. 40°

Л"' _ 1

Волна Россби

V) А 1 (Азсплеск " —1 Волны """-ч?"^--,:

' > \

и:)' V11 ] . Волна Россби 1

В) 175 дней

. Л"' т

Волна Россби

иг у, Волна Россби/

* ' 1У

с.ш. 40° 20° 0° 20° ю.ш. 40°

Л--'

.Л Волна Россби

Волны ^^ Увпьвмца ^ ^.....

Волана Россби

1/.

Г) 225 дней

. г ^ 1

Волна Россби л Л- V

Волны ^ 1 Кельвина. ^у "

ч и \

Волна Россби 1 /

Волна с заглубленным термоклином Волна с приподнятым термоклином

Рис. 2. Схема распространения свободных волн в Тихом океане в период цикла ЭНЮК согласно теории запаздывающего осциллятора.

Необходимо отметить один общий недостаток, свойственный всем теориям Эль-Ниньо: в них предполагается регулярное чередование теплых и холодных событий, которое в реальности не наблюдается. В диссертации обсуждаются причины нерегулярности цикла ЭНЮК. В частности, необходимым условием для возникновения Эль-Ниньо является западная аномалия ветра в западном Тихом океане. Часто ее ассоциируют с явлением внутрисезонного масштаба, называемого всплеском западных ветров и проявляющемся в усилении западного ветра в течение 15-20 суток. Однако генезис такого усиления ветра до настоящего времени остается неясным. Очевидно, что западные ветры на экваторе возникают на периферии циклонических вихрей, расположенных по обе стороны экватора. Такие циклонические образования могут иметь различный генезис и пространственно-временные масштабы. Во-первых, западные ветры формируются на периферии тропических циклонов, проходящих на небольшом удалении от экватора. Однако временной (5-7 суток) и пространственный (до 1 ООО км) масштабы тропического циклона не соответствуют пространственно-временным масштабам океанической волны Кельвина (30 суток и тысячи км). Во-вторых, тропические циклоны перемещаются с востока на запад, следовательно, не могут способствовать смещению западной аномалии ветра на

восток. Последнее условие необходимо, так как океанические волны Кельвина достаточно быстро диссипируют в пространстве. Для формирования пакета волн Кельвина, а не единичной волны, и сохранения его амплитуды при распространении на восток необходимо, чтобы западная аномалия ветра смещалась на восток или чтобы к востоку от первоначальной локализации возникали новые очаги западной аномалии ветра.

Циклоническая завихренность в районе экватора также может быть связана с колебаниями Мад-дена-Джулиана (рис.3). Колебания Маддена-Джу-

Рис. 3. Схематический вертикальный разрез вдоль экватора, представляющий основные характеристики колебания Маддена-Джулиана (MJO) в течение его жизненного цикла (сверху вниз). Облака изображают конвективный центр MJO, стрелки показывают направление аномалий зональной циркуляции, кривые сверху и снизу - возмущения давления в верхней тропосфере и на уровне моря (красные области -циклонические аномалии, синие - антициклонические). Из [Madden and Julian, 1972].

iIJZZ

н Vi ~ * '*' ~ ' - 'mm Африка Индонезия Ю. Америка

лиана (Madden-Julian Oscillation, MJO) - это организованная структура конвекции в приэкваториальных районах, представляющая собой чередование областей усиленной и подавленной конвекции. С аномалиями конвекции связаны аномалии ветра: западные - к западу от конвективного центра и восточные - к востоку. Пространственный масштаб колебаний Маддена-Джулиана 12-20 тысяч км, временной - 30-60 дней. Они возникают над Индийским океаном и распространяются до центра Тихого океана, перемещаясь на восток со средней скоростью около 430 км/сутки. Важно заметить, что MJO представляют собой аномалию, как в поле ветра, так и в поле конвекции. Они могут развиваться как на фоне среднего западного потока (например, на востоке Индийского океана), так и в пассатном переносе. Несмотря на то что аномалии циркуляции, обусловленные MJO, не меняют направления основного потока, а лишь модифицируют его, они создают области конвергенции и дивергенции скорости по потоку, которые формируют зоны конвергенции и дивергенции воздуха. В зонах конвергенции возникают восходящие движения и усиливаются конвективные процессы, а в зонах дивергенции нисходящие потоки приводят к разрушению облачности и подавлению конвекции. Пространственно-временные масштабы колебаний Маддена-Джулиана соответствуют масштабам океанической волны Кельвина, а связанные с ними западные аномалии ветра перемещаются с запада на восток, следовательно, могут генерировать и поддерживать волну Кельвина в океане.

а)

Схема теоретической экваториальной волны Кельвина

-я -ж. 0 Л- я

Скорость волны

• сухая атмосфера: 30-60 м/с

• влажная атмосфера: 12-25 м/с

б)

Схема теоретической экваториальной волны Россби

-7Ï

0 f

Экватор —

И ©

-71

Скорость волны

• сухая атмосфера: 10-20 м/с

• влажная атмосфера: 5-7 м/с

Рис. 4. Теоретическая схема экваториальных волн Кельвина (а) и Россби (б). Круговые линии - центры аномалий приземного давления, стрелки - аномалии ветра, облака-зоны конвекции.

Безвихревые западные аномалии ветра в районе экватора связаны с экваториальными атмосферными волнами Кельвина (рис.4а). Экваториальные волны - это волны определенных пространственных и временных масштабов, существующие в непосредственной близости от экватора. Они распространяются в горизонтальном и вертикальном направлении. Теоретические волны являются решениями уравнений мелкой воды в тропической атмосфере. Реально существующие возмущения имеют масштабы и скорости перемещения близкие к теоретическим волнам, поэтому получили одноименные названия. Атмосферные волны Кельвина удовлетворяют условиям необходимым для генерации волны в океане: они распространяются с запада на восток, имеют зональную протяженность до 15 тысяч км и продолжительность до 20 суток.

Наконец, западные аномалии ветра могут быть связаны с атмосферными экваториальными волнами Россби (рис.4б). Их пространственная структура представляет чередование пары циклонов и антициклонов, распространяющихся с востока на запад. Они могут быть идентифицированы в данных наблюдений в виде парных вихрей по обе стороны от экватора. Пространственно-временные масштабы волн Россби соответствуют масштабам океанической волны (зональная протяженность до 15 тысяч км, продолжительность от 15 до 50 дней). Они не перемещаются на восток, но максимум их интенсивности локализован в центре Тихого океана, следовательно, они могут поддерживать океаническую волну Кельвина, зародившуюся на западе Тихого океана.

Таким образом, выделяются три типа возмущений внутрисезонного масштаба, которые могут создавать западную аномалию ветра, необходимую для генерации волны Кельвина в океане: колебания Маддена-Джулиана и конвективно-связанные экваториальные волны Кельвина и Россби. Их роль в генерации Эль-Ниньо рассматривается в 3 и 4 главах диссертации.

В главе 1 рассмотрены существующие на настоящий момент представления о взаимодействии ВТИ, в первую очередь МГО, с явлением ЭНЮК. До настоящего момента исследователи обращали внимание на взаимодействие ЭНЮК только с колебаниями Маддена-Джулиана. Данные наблюдений показали, что именно колебания МЮ сыграли ключевую роль в развитии некоторых явлений Эль-Ниньо, как например рекордного Эль-Ниньо 1997-98 гг.. Однако в работах [8Нп§о е1 а!., 1999; Непс1оп е1 а1., 1999] было показано, что индексы МЮ при рассмотрении длительного периода наблюдений оказываются нескоррелированными с индексами Эль-Ниньо. В этих исследованиях рассматривался период кульминации Эль-Ниньо, на который также приходится максимум интенсивности МГО в Южном

полушарии, то есть зима Северного полушария. Однако в районе экватора, то есть там, где западные аномалии ветра генерируют океаническую волну Кельвина, максимум MJO отмечается весной, а не зимой. Следовательно, можно ожидать, что именно весенняя интенсивность MJO важна с точки зрения генерации Эль-Ниньо. В настоящем исследовании взаимодействие ВТИ с Эль-Ниньо рассматривается с учетом сезонных изменений.

Еще одной проблемой, затрудняющей прогноз ЭНЮК и исследование его механизмов, является значительное разнообразие явлений Эль-Ниньо. А именно: их интенсивность, характер эволюции, продолжительность, пространственно-временные масштабы в значительной степени изменяются от явления к явлению. Необходимо отметить, что эти изменения не являются хаотическими, скорее можно говорить о чередовании отдельных эпох (порядка 10-30 лет), в течение которых характеристики явлений Эль-Ниньо схожи между собой, но при этом существенно различаются между эпохами. То есть речь идет о модуляции цикла ЭНЮК на масштабах десятилетий. В главе 1 обсуждаются возможные причины данной модуляции, а также приводится обзор имеющихся на настоящий момент исследований недавно открытой модификации Эль-Ниньо — Эль-Ниньо Модоки.

Глава 2. Материалы и методы исследования динамики явления Эль-Ниньо -Южное колебание, его взаимодействия с внутрисезонной тропической изменчивостью и удаленного отклика в тропических и умеренных широтах.

Для анализа и расчетов использовались различные архивы данных наблюдений, спутниковой информации и базы реанализов: массивы САС (Climate Analysis Center), Reynolds, Hadley центра, реанализ SODA, данные TRMM Microwave Imager (TMI), массивы GPCP, NCEP/NCAR и ERA Interim реанализов, данные со спутников ТОРЕХ /POSEIDON, ERS-1,2 и QuikSCAT и др.

В диссертации большое внимание уделено удаленному отклику глобальной климатической системы на аномалии в тропиках Тихого океана, обусловленные явлением ЭНЮК. Для оценки удаленного отклика атмосферной циркуляции на сигнал в тропической зоне автором работы совместно с М.А. Петросянцем был разработан новый индекс циркуляции, позволяющий оценивать крупномасштабные особенности атмосферной циркуляции.

В работе используется две модификации индекса циркуляции: циркуляция вектора скорости L4 = | u(<p)dlv зональной составляющей реального ветра м(ф) вдоль круга широты /ф и циркуляция скорости по замкнутому контуру S: As = \ucp\dl<p\ + \vX2dlX2 - ¡Upidlçi - \vx\dh\ >

где и и v — зональные и меридиональные составляющие скорости реального ветра,

ф7 и ф2 - широты южной и северной границ контура соответственно, XI и Х2 -долготы западной и восточной границ контура соответственно, I - длина стороны контура.

Предложенный индекс представляет, по существу, новый путь исследования взаимодействия океана и атмосферы, основанный на анализе обобщающего индекса циркуляции, характеризующего основные черты глобального распределения циркуляции атмосферы. Кроме того было выявлено, что введенный индекс является удобным показателем для тестирования моделей общей циркуляции атмосферы, так как позволяет, с одной стороны, значительно уменьшить объем исследуемой информации, а с другой - определить основные характерные особенности глобальной циркуляции атмосферы. В работе показано, что предложенный индекс тесно связан с аномалиями погоды (температуры и осадков) в умеренных широтах как в центрах действия атмосферы, так и в подвижных циклонах Атлантического и Тихоокеанского секторов. Учитывая тот факт, что средние поля ветра современными моделями рассчитываются лучше, чем поля температуры и осадков, возможно использовать данные об аномалиях циркуляции по контурам подвижных циклонов и центров действия атмосферы как предиктор аномалий температуры и осадков в их пределах.

В настоящем исследовании для анализа механизмов генерации явления Эль-Ниньо используются как данные наблюдений и реанализов, так и результаты моделирования. Данные моделей общей циркуляции атмосферы и океана привлекаются для оценки изменений Эль-Ниньо при различных климатических сценариях, а также для валидации более простых моделей. Однако на моделях общей циркуляции невозможно проводить эксперименты, позволяющие определить вклад того или иного компонента в механизм развития аномалий в океане и атмосфере. Для этих целей удобно применять модели промежуточной степени сложности. Кроме того, использование таких моделей значительно более выгодно с точки зрения вычислительных затрат. Одна из моделей промежуточной степени сложности LODCA-QTCM была разработана с участием автора.

На первом этапе была разработана модель LODCA (Linear Ocean Dynamically Coupled to the Atmosphere), ориентированная в первую очередь на прогноз явления Эль-Ниньо. Основными достоинствами модели LODCA являются учет трех баро-клинных мод для описания вертикальной структуры океана, использование новой параметризации в модели перемешанного слоя и применение новой процедуры ассимиляции данных наблюдений. Использование новой параметризации приводит к значительным изменениям в моделируемых аномалиях ТПО по сравнению со стандартной моделью промежуточной степени сложности Кейна-Зебиака, наиболее

часто используемой для прогноза Эль-Ниньо [Cane and Zebiak, 1987]. В частности, основные аномалии ТПО развиваются в центральных районах Тихого океана, что соответствует так называемому Эль-Ниньо Модоки, которое чаще наблюдалось в последние десятилетия, тогда как модель Кейна и Зебиака имеет тенденцию к воспроизведению восточного типа Эль-Ниньо. Учет большего количества баро-клинных вертикальных мод позволяет сократить изменчивость аномалий поверхностных течений во внеэкваториальных районах, способствует увеличению вклада вынужденной волны Кельвина в аномалии уровня океана, что, в свою очередь, приводит к лучшему согласованию между полями уровня океана, полученными по данным ТОРЕХ и воспроизведенными в процессе линейного интегрирования модели в районе экваториального волновода. Модель демонстрирует высокое качество прогноза явлений ЭНЮК в период 80-х годов (рис.5). Уровень прогноза несколько понижается в период 70-х и 90-х годов, в частности, модель демонстрирует тенденцию переоценивать аномалии ТПО в периоды относительно слабой изменчивости температуры поверхности океана. Модель LODCA успешно применялась для оперативного прогноза Эль-Ниньо с 2000 по 2009 год, результаты прогнозов публиковались в Experimental long-lead forecast bulletin (www.iges.org/ellfb).

Модель LODCA имеет целый ряд недостатков, связанных в первую очередь с ограничениями, которые ставит упрощенная физика модели. В частности, быстрые изменения приземного ветра, такие как всплески западных ветров или колебания Маддена-Джулиана, не могут быть адекватно учтены моделью, имеющей низкочастотную динамику, однако они могут играть очень важную роль в цикле ЭНЮК (см. главы 1,3,4). Поэтому было решено заменить используемую модель атмосферы Гилла на динамическую модель атмосферы QTCM, разработанную в университете Лос-Анджелеса группой профессора Нилина [Zheng et al., 2000]. Модель QTCM (Quasi-equilibrium Tropical Circulation Model) основана на простых уравнениях мелкой воды и ориентирована на воспроизведение динамики атмосферных процессов в тропиках. Она превосходит по уровню сложности простые атмосферные модели, так как является нелинейной, включает в себя пакет радиационно-конвектив-ных обратных связей, а также имеет простое описание суши. Особенностью QTCM является представление вертикального профиля температуры, влажности и скорости ветра с помощью разложения по функциям Галеркина, а не с помощью конечно-разностной схемы, как в большинстве моделей общей циркуляции атмосферы. Этими базовыми функциями являются аналитические решения системы уравнений модели, полученные с использованием условия конвективного приспособления, в результате которого значительно сокращается число степеней свободы в модели.

Была проведена оценка успешности данной модели с точки зрения воспроизведения межгодовой изменчивости метеорологических параметров в тропиках, а также дальних связей в тропических и внетропических широтах. Показано, что в пределах тропической зоны данная модель сопоставима по качеству воспроизведения атмосферных полей с полными моделями общей циркуляции атмосферы. В качестве примера на рис.6 приведена корреляция между аномалиями различных метеопараметров в приэкваториальной области, полученных по данным QTCM, модели общей циркуляции ARPEGE и данным NCEP/NCAR реанализа.

Можно назвать три причины, по которым именно модель QTCM была включена в объединенную модель океана-атмосферы: (1) она адекватно воспроизводит межгодовую изменчивость и дальние связи ЭНЮК в тропиках с качеством сопоставимым с более сложными моделями; (2) она позволяет учитывать и воспроизводить высокочастотную изменчивость, которая является ключевым звеном в генерации Эль-Ниньо; (3) упрощенная схема модели позволяет проводить диагностические эксперименты, направленные на изучение механизмов межгодовой изменчивости.

ТПО МпоЗ, Напряжение ветра N¡1104, Уровень океана МпоЗ,

1982-1991 гг. 1982-1991 гг. 1982-1991 гг.

Модельный и инерционный прогноз

5 10 15 месяцы

10 15 20 месяцы

заблаговременность прогноза заблаговременность прогноза заблаговременность прогноза СКВ ошибка прогноза

10 15 20 месяцы

5 10 15 20 месяцы

10 15 20 месяцы

заблаговременность прогноза заблаговременность прогноза заблаговременность прогноза

Рис. 5. Статистика прогностических экспериментов на модели LODCA для ТПО Nino3 (5° ю.ш. -5° с.ш., 160° в.д. - 150° з.д.) (слева), зонального напряжения ветра в Nino4 (5° ю.ш. - 5° с.ш., 160° в.д. -150° з.д.) (в центре) и уровня океана в Nino3 (справа) за период 1982-1991 гг. Корреляция и среднеквадратичная (СКВ) разность между данными наблюдений и модели (сплошные линии) сравниваются с результатами инерционного прогноза (пунктирные линии).

Таким образом, была разработана линейная модель океана с усложненной вертикальной структурой, позволяющей более верно воспроизводить динамику ЭНЮК (модель LODCA), и протестирована нелинейная модель атмосферы QTCM, показавшая обнадеживающие результаты по моделированию динамики крупномасштабных процессов в тропиках. На следующем этапе эти две модели были объединены, и в дальнейшем объединенная модель LODCA-QTCM использована для изучения механизмов ЭНЮК. В качестве примера способности объединенной модели воспроизводить межгодовую изменчивость типа ЭНЮК на рис.7а показан график временного хода ТПО в районе Nino3, на котором очевидно чередование положительных и отрицательных аномалий с периодом около 4-5 лет. Важно отметить, что помимо воспроизведения отдельных явлений прослеживается как низкочастотная модуляция данного сигнала (на масштабах десятилетий), так и высокочастотная (внутрисезонная) изменчивость. Этот факт подтверждается временным спектром вейвлет-коэффициентов (рис.7б) и графиком интегралов вейвлет-коэффициентов в интервале периодов 2-7 лет и 1-12 месяцев (рис.7в). Модель достаточно верно воспроизводит распределение повторяемости положительных и отрицательных аномалий ТПО в Nino3 (рис.7г) и сезонную изменчивость Эль-Ниньо, а именно максимум повторяемости событий летом Южного полушария (рис.7д).

Для выделения компонент внутрисезонной изменчивости в диссертации используется двумерный спектральный анализ [Кислов и Семенов, 1988; Wheeler and Kiladis, 1999]. Экваториальные волны, связанные с глубокой конвекцией, имеют структуру

ARPEGE и Реанализ

а)

0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 -0,1 -0,2 20° з.д.

в.д. 20°

QTCM и Реанализ

0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 -0,1 -0,2 20° з.д.

в.д. 20°

-TX _U850 U200 -Precip -OLR

Рис. 6. Корреляция между наблюденными и смоделированными аномалиями зонального напряжения ветра вдоль 3,75° ю.ш. (ТХ), зонального ветра на 850 гПа (U850) и 200 гПа (U200), осадков (Precip), и уходящей длинноволновой радиации (OLR) вдоль экватора. Корреляции рассчитаны для периода 1949-1997 гг. для зонального ветра и для периода 1958-1997 гг. - для зонального напряжения ветра, осадков и уходящей длинноволновой радиации, а) Корреляция между моделью ARPEGE и реанализом, б) корреляция между QTCM и реанализом.

либо симметричную, либо асимметричную относительно экватора, поэтому исходные поля разделяются на две компоненты: симметричную и асимметричную. Для каждой широты ср проводится комплексное Фурье преобразование по долготе и по времени, что позволяет получить распределение спектральной плотности в зависимости от зонального волнового числа и частоты колебания. Итоговый спектр получается путем суммирования спектральной плотности по всем широтам от 15° с.ш. до 15° ю.ш. Полученные распределения спектральной плотности имеют четко вы-

ТПО Nino3

г)

°с

— наблюдения -- модель

Янв Map Май Июл Сен Ноя месяцы

1960 1980 2000 2020 2040 2060 годы

Интеграл в интервале 2-7 лет

в)

2.0 1.5 1.0 0.5 0.0

1960 1980 2000 2020 2040 2060 годы

30 m 25

го

>. 20 о

g 15

ТПО Nino3

Д)

Аномалия ТПО в Nino3

0.0625

0.2500

1.0000

4.0000

1960 1980 2000 2020 2040 2060 годы

б)

0.0156

Вейвлет спектр

Рис. 7. Результаты долгопериодного интегрирования модели LODCA-QTCM для ТПО в Nino3, (показаны 100 лет из 250). а) Временной ход, б) вейвлет распределение, в) интеграл энергии спектра вейвлета в интервале периодов 2-7 лет (жирная линия) и 1-12 месяцев (тонкая линия). На графике вей-влетов показаны контуры 0.5, 1, 2 и 6 °С2. Черный контур - уровень значимости с 95% доверительной вероятностью, г) Нормализованная гистограмма ТПО в Nino3 по данным LODCA-QTCM (пунктирная линия) для 150 лет интегрирования и по данным наблюдений (сплошная линия) за период 1856-2007 гг. [Kaplan et al., 1998]. д) Количество событий Эль-Ниньо как функция от календарного месяца, для которого средняя ТПО в Nino3 была в полтора раза больше среднего квадратичного отклонения по всему периоду, по данным LODCA-QTCM (пунктирная линия) и наблюдений (сплошная линия).

раженный вид красного шума. Для выявления деталей распределения спектральной плотности исходный спектр нормализуется на так называемый «фоновый спектр», который получается как среднее арифметическое спектральных плотностей симметричной и асимметричной компонент исходного поля, сглаженное 11 последовательными фильтрами. В качестве значимых спектральных пиков принимаются значения нормализованного спектра, на 20% превышающие «фоновый спектр».

Для восстановления сигналов, соответствующих MJO и экваториальным волнам, выполняется обратное Фурье-преобразование с сохранением значений спектральной плотности только в области, прилегающей к дисперсионной кривой конкретной волны. Границы районов для различных типов волн представлены на рис.106 черными линиями.

Разделение Эль-Ниньо на два типа - каноническое или восточно тихоокеанское (ВТ) и Модоки или центрально тихоокеанское (ЦТ) - выполняется двумя способами. Первый метод, предложенный [Yeh et al., 2009], используется при композиционном анализе. Согласно ему явление, при котором аномалия ТПО в районе Nino3 (5° ю.ш. - 5° с.ш.; 150° - 90° з.д.) больше, чем в районе Nino4 (5° ю.ш. -5° с.ш., 160° в.д. - 150° з.д.), и больше 0,5 °С в течение ноября, декабря, февраля, относится к типу ВТ. Если напротив больше аномалия в районе Nino4, то явление относится к типу ЦТ. Для построения непрерывных рядов индексов ЦТ и ВТ Эль-Ниньо использован метод [Takahashi et al, 2011]. Аномалии ТПО в тропическом Тихом океане раскладываются на эмпирические ортогональные функции (ЭОФ), при этом первые две моды описывают максимальное количество изменчивости (68% и 14% соответственно). ЭОФ1 соответствует структуре распределения аномалий ТПО (АТПО), наблюдающейся при Эль-Ниньо канонического типа, с максимумом ТПО вдоль побережья Южной Америки, а ЭОФ2 - структуре АТПО, наблюдающейся при Эль-Ниньо Модоки, с максимумом ТПО в центральной части Тихого океана и отрицательными значениями к западу и востоку (рис.8).

ЭОФ1

ЭОФ2

ю.ш. 20'

0.40 0.30 0.20 0.10 0.00 -0.10 -0.20 -0.30

в.д. 160° 180° 160° 140° 120° з.д.

Рис. 8. ЭОФ 1 (а) и ЭОФ2 (б) аномалий ТПО в тропическом Тихом океане по данным ТПО НаШеу центра. Единицы - внутренние единицы ЭОФ разложения.

Первым двум модам ЭОФ разложения соответствуют временные ряды основных компонент РС1 и РС2, которые и используются для построения индексов Эль-Ниньо - индекса ВТ для канонического Эль-Ниньо и индекса ЦТ для Эль-Ниньо Модоки. В работе [Takahashi et al, 2011] показано, что сами по себе ряды РС1 и РС2 не являются репрезентативными с точки зрения разделения Эль-Ниньо на два типа. Точки в пространстве РС1/РС2 ложатся примерно вдоль диагональных осей (особенно четко это проявляется в моделях, в которых воспроизводится большее количество явлений Эль-Ниньо обоих типов, рис.9). Поэтому, чтобы получить индексы ЦТ и ВТ, необходимо повернуть оси PC 1 и РС2 на 45°. Тогда индексы будут

вычисляться по следующим формулам: РСХ-РС2 РС1 + РС2

ВТ =-=- ЦТ =-=-

V2 4ï

Для анализа циркуляции Уокера применена адаптированная методика Wang [2002], в которой для идентификации вертикальных ячеек используются значения

зональной составляющей дивергентного ветра и аналога вертикальной скорости.

В главе 2 приведено краткое описание моделей общей циркуляции атмосферы и океана, используемых в работе: INM-CM4.0 (модель Института вычислительной математики РАН, Россия), GFDL-CM2.1 (модель Геофизической лаборатории динамики жидкостей, США), BCCR-ВСМ2.0 (модель центра климатических исследований имени Бьеркнеса, Норвегия), CNRM-CM5 (модель национального центра метеорологических иссле-

Рис. 9. Месячные значения РС1 и РС2 (октябрь—март: фиолетовые круги; апрель—сентябрь- красные кресты) по данным (a) HadISST (1870-2010), (б) климатической модели GFDL СМ2.1, (в) модели Кей-на и Зебиака [Cane and Zebiak, 1987] и (г) модели LODCA.

дований, Метео-Франс, Франция) и GISS-E2-H (модель института космических исследований Годдарда, NASA, США).

Глава 3. Взаимосвязи между колебаниями Маддена-Джулиана, экваториальными волнами Кельвина и Россби и ЭНЮК по данным наблюдений и моделирования.

В главе 1 отмечалось, что источником аномальных западных ветров, возбуждающих океаническую волну Кельвина, могут быть три типа возмущений внутри-сезонного масштаба: колебания Маддена-Джулиана и экваториальные конвективно-связанные волны Кельвина и Россби. Именно их вклад в механизм Эль-Ниньо рассматривается в дальнейшем. Можно назвать еще две причины, по которым необходимо учитывать вклад экваториальных волн и MJO в механизм ЭНЮК. Во-первых, эти возмущения проявляются в аномалиях многих метеорологических характеристик в тропиках, таких как осадки, зональный ветер, напряжение ветра, потоки тепла, которые влияют на аномалии ТПО и таким образом на взаимодействие океана и атмосферы [Гущина и др., 2010]. В частности, по мере распространения над акваторией экваториального Тихого океана эти волны взаимодействуют со средней атмосферной циркуляцией в районе развития Эль-Ниньо, усиливая неустойчивое взаимодействие в системе океан-атмосфера, реализующееся в росте амплитуды аномалий, связанных с Эль-Ниньо. Во-вторых, ВТИ может играть роль атмосферного шума в системе тропический океан-атмосфера и вносить вклад в механизм низкочастотной модуляции цикла ЭНЮК.

Для анализа взаимосвязей между MJO и ЭНЮК используются как данные наблюдений, так и результаты климатических экспериментов объединенных моделей океана-атмосферы различной степени сложности. Качеству воспроизведения ВТИ в модели LODCA-QTCM уделено особое внимание. Это обусловлено тем, что конфигурация данной модели позволяет осуществлять широкий спектр экспериментов на чувствительность модели к воздействию различных параметров и процессов, в том числе и отдельных компонентов ВТИ.

На первом этапе была проведена оценка вклада компонент ВТИ в общую изменчивость в тропической зоне. Результаты сильно варьируются как в пространстве, так и во времени, что обусловлено сезонной миграцией максимумов изменчивости. В среднем на долю MJO приходится до 40% изменчивости, на долю волн Кельвина до 30% и на долю экваториальных волн Россби до 20%. Показано, что спектральные пики, соответствующие данным возмущениям проявляются в полях осадков, уходящей длинноволновой радиации (рис. 10а,б), зонального ветра и напряжения трения, в меньшей степени в притоке тепла к земной поверхности.

Определяя значительный процент общей изменчивости данных полей, атмосферные возмущения внутрисезонного масштаба могут приводить к росту аномалий ТПО в тропиках, через потоки тепла и момента импульса.

Проведена оценка способности модели промежуточной степени сложности воспроизводить внутрисезонную тропическую изменчивость. Показано, что ЬООСА-<ЗТСМ моделирует спектральные пики, соответствующие МГО и экваториальным волнам, в полях УДР (рис. 10в,г), осадков, зонального ветра, напряжения ветра и притока тепла к земной поверхности (занижая, однако, общую энергию на несколько порядков для характеристик, связанных с конвекцией). Таким образом, значительно более простая модель тропической атмосферы, нежели модели общей циркуляции, способна отражать сложную структуру организации элементов глубокой конвекции в тропиках, а следовательно, может быть использована для изучения механизмов ВТИ.

Эксперимент на модели ЬООСА-С)ТСМ с подавлением источников ВТИ подтвердил, что основными процессами, ответственными за интенсивность возмущений внутрисезонного масштаба в тропиках, являются воздействие внетропиче-ских циклонических возмущений, а также положительная обратная связь между ветром и испарением.

Сравнение стандартного и климатического (с использованием среднемноголет-ней ТПО для возбуждения атмосферы) экспериментов показало, что локальное взаимодействие между тропическим океаном и атмосферой оказывает существенное влияние на скорость распространения атмосферных волн Кельвина, то есть аномалии в океане могут в свою очередь влиять на характеристики экваториальных волн.

На следующем этапе была поставлена задача определить роль атмосферных возмущений внутрисезонного масштаба в механизме генерации Эль-Ниньо, в частности, количественно оценить взаимосвязи между МЮ, волнами Кельвина и Россби и ТПО на востоке Тихого океана. Отметим, что более ранние исследования связей МГО и Эль-Ниньо не дали положительных результатов, потому как не учитывалась сезонная зависимость этого взаимодействия. Мы детализировали изменения статистических связей по сезонам.

Для анализа взаимосвязей между внутрисезонной тропической изменчивостью и циклом ЭНЮК вводится характеристика интенсивности волн, так как нас интересует не процесс взаимодействия одной конкретной волны с ТПО, а отклик океана на усиление или ослабление ВТИ в определенном месте и в определенное время. Интенсивность МЮ, волн Кельвина и Россби рассчитывается как среднеквадратичное отклонение (СКО) по скользящему периоду со сдвигом в один

день. Длина периода зависит от типа волны: 90 дней для МЮ, 48 дней для волн Россби и 30 дней для волн Кельвина. Рассчитанное скользящее СКО осредняется по месяцам года. Несмотря на то, что максимальная амплитуда МЮ в период Эль-Ниньо отмечается в Южном полушарии, в работе внимание сконцентрировано на интенсивности ВТИ в приэкваториальной полосе. Это обусловлено тем, что океанические волны Кельвина являются экваториально-захваченными волнами, их амплитуда резко убывает по мере удаления от экватора. Следовательно атмосферные возмущения могут возбуждать океаническую волну Кельвина, ответственную за возникновение Эль-Ниньо, только в пределах экваториального волновода (3° ю.ш. — 3° с.ш.).

Для исследования взаимосвязей ВТИ/ЭНЮК выбран 30-летний период наблюдений с 1977 по 2006 год, в течение которого отмечались как исключительно сильные явления Эль-Ниньо (в 1982-83 гг. и в 1997-98 гг.), так и периоды относительно

Асимметричная компонента

а)

а <

-14 -10 -6 -2 °2 6 10 14 на запад

Симметричная компонента б)

2.5 ^ з

3.3 5 §

5.0

Рис. 10. Спектральная плотность уходящей длинноволновой радиации (УДР), нормированная на фоновый спектр по данным ЫСЕР/ЫСАЯ реанализа (а, б) и модели ЬСЮСА-<ЗТСМ (в, г) для асимметричной компоненты поля (а, в) и симметричной компоненты поля (б, г). Интервал между изолиниями 0,1 безразмерных единиц. Закрашены значения, превышающие фоновый спектр более чем на 20%, различие являющееся статистически значимым. Толстые красные линии - дисперсионные кривые соответствующих экваториальных волн для различной эквивалентной глубины атмосферы, значения глубин указаны цифрами, типы экваториальных волн подписаны вдоль семейства дисперсионных кривых. Дисперсионные кривые для четных меридиональных мод представлены на графике для симметричной компоненты, для нечетных - на графике асимметричной компоненты. Вертикальная толстая линия разделяет волны, распространяющиеся на запад и на восток.

слабой активности ЭНЮК (после 1998 года). Для сопоставления с данными наблюдений в модельных рядах также были выбраны 30-летние периоды, включающие в себя как сильные, так и слабые явления Эль-Ниньо.

На рис. 11 приведена корреляция между осредненной вдоль экватора интенсивностью МГО, волн Кельвина и Россби и ТПО в районе №по3.4 (5° ю.ш. - 5° с.ш.; 170° з.д. - 120° з.д.) в январе (центральный месяц фазы кульминации Эль-Ниньо). По оси абсцисс отложена долгота (вся область Тихого океана), по оси ординат сдвиг в месяцах относительно кульминации Эль-Ниньо, которой соответствует ЯнварьО. Отрицательные сдвиги - это события предшествующие кульминации Эль-Ниньо, положительные — следующие за ней.

Так как океаническая волна Кельвина, заглубляющая термоклин в условиях Эль-Ниньо, зарождается на западе Тихого океана весной, предшествующей кульминации явления, то нас интересуют взаимосвязи между ВТИ и ТПО в районе №по3.4 именно в этот период (весна-лето Северного полушария года -1 на рис.11). По данным наблюдений четко прослеживается область положительной корреляции, на западе Тихого океана в марте-августе года, предшествующего Эль-Ниньо для МГО (рис.11 верхний ряд), и в центре Тихого океана в мае-августе для экваториальных волн Россби (рис. 11 нижний ряд). То есть увеличение интенсивности МГО на западе Тихого океана и экваториальных волн Россби в центре Тихого океана весной и летом тесно связано с повышением ТПО на востоке и в центре Тихого океана следующей зимой. Механизм такого взаимодействия реализуется через аномальные западные ветры, связанные с МГО и волной Россби (рассматривается в главе 4).

Аналогичные взаимосвязи характерны не только для января месяца, но и для всего цикла ЭНЮК: повышение ТПО следует за увеличением интенсивности МГО и волн Россби со сдвигом от 9 до 1 месяца (рисунки приводятся в диссертации).

Для атмосферных волн Кельвина значимый сигнал проявляется только в год, следующий за Эль-Ниньо (год 0 на рис. 11 средний ряд). То есть атмосферные волны Кельвина интенсифицируются вслед за повышением ТПО на востоке Тихого океана и, таким образом, не могут участвовать в генерации Эль-Ниньо.

Сравнение результатов, полученных по реанализу и по данным численных экспериментов на моделях, показало, что модель промежуточной степени сложности ЬОБСА-ОТСМ корректно воспроизводит вышеперечисленные взаимосвязи ВТИ/ ЭНЮК, включая сезонный ход, превосходя качество их воспроизведения в модели общей циркуляции океана-атмосферы ГЫМ-СМ4 (см. рис.11 средний и правый столбец и Таблицу). Поэтому ШБСА-С>ТСМ может быть использована в дальнейшем для экспериментов по оценке вклада отдельных волн в формирование аномалии ТПО.

Таблица. Сравнительная оценка воспроизведения связей между ВТИ и ЭНЮК в моделях

Модели Волны Многолетняя изменчивость

MJO Кельвина Россби

УДР U850 УДР U850 УДР U850

LODCA-QTCM форсинг +/- + + + + + +

отклик + + + + + +/-

INM-CM4.0 форсинг - +/- + - +/- + +

отклик +/- - +/- - + -

Таким образом, статистически показано, что интенсификация MJO и волн Россби предшествует Эль-Ниньо. Прежде чем перейти к анализу механизма этой взаимосвязи отметим важную особенность: характер взаимосвязей ВТИ/ЭНЮК модифицируется на масштабах десятилетий.

Известно, что на масштабах десятилетий интенсивность цикла ЭНЮК испытывает значительную изменчивость. [An and Jin, 2004; Cobb et al., 2003]. Так, климатический сдвиг, наблюдавшийся в 1976/77 годах, проявился в изменении параметров ЭНЮК (частоты, амплитуды, характеристики распространения аномалий и асимметрии). Поскольку сезонные изменения взаимосвязей между ВТИ и ЭНЮК являются важным звеном взаимодействующей системы «тропический Тихий океан - атмосфера» правильным будет предположить, что они зависят от характеристик самого ЭНЮК, включая его низкочастотную модуляцию. Для оценки чувствительности связей ВТИ/Эль-Ниньо к изменениям среднего состояния системы океан-атмосфера, отмечавшихся в период климатического сдвига 1976/77 гг., были проанализированы два временных интервала: 1979-1998 гг. - период высокой интенсивности ЭНЮК и 1948-1967 - период низкой интенсивности ЭНЮК. Обнаружено, что в период большой интенсивности ЭНЮК весной-летом перед Эль-Ниньо отмечается усиление колебаний Маддена-Джулиана и экваториальных волн Россби. В период малой амплитуды ЭНЮК связи ВТИ/ЭНЮК существенно отличаются: перед пиком Эль-Ниньо MJO и волны Россби ослаблены, а в течение года, следующего за пиком Эль-Ниньо, MJO сохраняет аномальную интенсивность. Учитывая, что изменение взаимосвязей ВТИ/ЭНЮК наблюдается в последние десятилетия, можно предположить, что это связано с изменением характеристик самого Эль-Ниньо. Недавно было выявлено существование двух различающихся типов Эль-Ниньо: восточного (ВТ) и центрально тихоокеанского (ЦТ), причем повторяемость ЦТ Эль-Ниньо возросла именно в последние десятилетия. Это связывают с изменениями среднего состояния тропического Тихо-

го океана и обратными связями с циклом ЭНКЖ. Наши исследования позволяют предположить, что подобный тренд может быть связан и с модификацией взаимодействия ВТИ/ЭНЮК. Этот механизм рассмотрен в главе 4.

Зональный ветер на 850 гПа

NCEP/NCAR реанализ LODCA-QTCM INM-CM 4.0

MJO - колебания Маддена-Джулиана

в.д. 0° 90° 180° 90° 0° з.д. в.д. 0° 90° 180° 90° 0°з.д. в.д. 0° 90° 180° 90° 0° з.д.

Экваториальные волны Кельвина

в.д. 0° 90° 180° 90° 0° з.д. в.д. 0° 90° 180° 90° 0°з.д. в.д. 0° 90° 180° 90° 0°з.д.

Экваториальные волны Россби

в.д. 0° 90° 180° 90° 0° з.д. в.д. 0° 90° 180° 90° 0°з.д. в.д.0° 90° 180" 90° 0° з.д.

Рис. 11. Корреляция со сдвигом между ТПО в №по3.4 в январе (Янв 0) и экваториально осредненным Щ50, отфильтрованным в интервале МГО (верхняя панель), волн Кельвина (средняя панель) и волн Россби (нижняя панель). Результаты по ЫСЕР/ЫСАЯ реанапизу - левый столбец, ШОСА-(2ТСМ -средний столбец, ШМ-СМ4.0 - правый столбец. Период 1977-2006 гг. для ренализа, 108-137 модельные года для ШОСА-С)ТСМ, 45-74 модельные года для ГЫМ-СМ4.0. Интервал 0.1. Корреляции выше (ниже) 0.3 (-0.3) закрашены.

Глава 4. Эволюция, изменчивость и механизмы формирования двух типов Эль-Ниньо.

Аномалии, наблюдающиеся в системе океан-атмосфера в период двух типов Эль-Ниньо, рассматривались в ряде работ [Ashok et al., 2007; Weng et al., 2008]. Однако в них использовались ограниченный период наблюдений и отличный от применяемого в данной работе метод выделения двух типов Эль-Ниньо. В диссертации на базе всего доступного ряда наблюдений с 1958 года с использованием объективного метода выделения двух типов Эль-Ниньо анализируются аномалии основных атмосферных и океанологических полей, характерные для двух режимов Эль-Ниньо, с оценкой значимости полученных различий между двумя модами ЭНЮК с помощью bootstrap метода [Efron, 1982]. Для разделения типов Эль-Ниньо используется два метода (см. главу 2). За период с 1960 по 2008 гг. выделено 6 Эль-Ниньо Модоки (1968-69, 1990-91, 1994-95, 2002-03, 2004-05, 200607) и 5 канонических Эль-Ниньо (1965-66, 1972-73, 1976-77, 1982-83, 1997-98). Отметим, что значительное по амплитуде аномалий ТПО явление 1986-87 гг. было исключено из анализа, так как в период его развития оно могло было быть отнесено к типу ВТ, однако, начиная с фазы кульминации, характер эволюции аномалий в океане больше соответствовал типу ЦТ.

Для регрессионного анализа был использован метод выделения двух типов Эль-Ниньо, предложенный [Takahashi et al., 2011]. Необходимо заметить, что ВТ индекс описывает экстремальные явления Эль-Ниньо канонического типа, тогда как ЦТ индекс включает в себя как колебания, связанные с Эль-Ниньо Модоки, так и связанные с Ла-Ниньа. Для того чтобы исключить вклад аномалий, связанных с Ла-Ниньа, был выполнен условный регрессионный анализ, при котором использовались только положительные значения ЦТ индекса. Анализ эволюции аномалий в атмосфере, сопровождающих два типа Эль-Ниньо, выполнен на основе композиционных карт аномалий УДР, осадков и полей скорости ветра на высотах 850 и 200 гПа, карт потенциала скорости и дивергентного ветра, схем вертикальной циркуляции и карт регрессий различных параметров на индексы Эль-Ниньо. Анализ аномалий в океане проведен на основе распределения ТПО, а также температуры, потоков и вертикальной скорости, осредненных в верхнем перемешанном 50-метровом слое океана. Анализ значимости показал, что различия между двумя модами Эль-Ниньо значимы на 90% уровне вероятности. В условиях Эль-Ниньо Модоки зона высокой ТПО, соответствующие ей зоны аномальных восходящих движений, усиленной конвекции (минимум УДР) и интенсивных осадков смещены на запад относительно их положения в условиях канонического Эль-Ниньо (рис.12). Нижнетропосферные

(верхнетропосферные) западные (восточные) аномалии ветра распространяются на всю акваторию тропического Тихого океана при каноническом Эль-Ниньо и не достигают побережья Южной Америки при Эль-Ниньо Модоки (рис. 12а,б).

Распределение потоков и вертикальных движений в перемешанном слое океана способствуют заглублению термоклина и росту ТПО на востоке Тихого океана в период канонического Эль-Ниньо: западные аномалии потоков и ослабленные восходящие движения (рис.13 левый столбец). В условиях Эль-Ниньо Модоки конвергенция потоков и усиление нисходящих движений в центре Тихого океана, а также усиленный апвеллинг и отток вод от берегов Южной Америки приводят к заглублению термоклина в центральных районах Тихого океана и подъему - на востоке (рис.13 правый столбец).

В главе 3 было показано, что атмосферные возмущения внутрисезонного масштаба могут играть важную роль в цикле ЭНЮК. Однако взаимосвязь между ВТИ и Эль-Ниньо была установлена статистическими методами. На следующем этапе необходимо определить возможные механизмы такого взаимодействия.

Также было отмечено, что характер взаимосвязей между ВТИ и ЭНЮК претерпевает существенные изменения в последние десятилетия. С другой стороны известно, что именно в этот период увеличилась повторяемость Эль-Ниньо типа Модоки. Это позволяет выдвинуть гипотезу, что модуляция связей ВТИ/ЭНЮК может являться причиной формирования двух модификаций Эль-Ниньо. Поэтому в дальнейшем анализ вклада возмущений внутрисезонного масштаба в механизм генерации Эль-Ниньо, в частности, анализ амплитуды, эволюции и характеристик распространения возмущений масштаба ВТИ проводился раздельно для двух типов Эль-Ниньо.

Построены композиционные экваториальные разрезы, представляющие временную эволюцию различных компонент ВТИ в период двух типов Эль-Ниньо и в период Ла-Ниньа, они сравниваются со средним годовым ходом, рассчитанным по всему исследуемому периоду (рис.14). Также рассматриваются особенности сезонных изменений МЮ и волн Россби над всей акваторией тропического Тихого океана в период канонического и Модоки Эль-Ниньо на основании регрессионного анализа.

Анализ рис.14 очевидно показывает, что эволюция МЮ и волн Россби в период Эль-Ниньо отличается и от Ла-Ниньа, и от среднего годового хода, а также неодинакова для двух типов Эль-Ниньо. Различия лучше прослеживаются на графике аномалий (рис.15). Особое внимание обращено на фазу развития Эль-Ниньо (год перед кульминацией), так как статистический анализ показал, что интенсивность МЮ и волн Россби весной и летом перед Эль-Ниньо тесно связана с ТПО в фазу кульминации. Для МЮ и волн Россби четко прослеживается положительная аномалия интен-

сивности с января по июнь. Так как асимметрия ряда ветра в интервале МЮ и волн Россби весной-летом Северного полушария перед кульминацией Эль-Ниньо положительна (рисунок приводится в диссертации), то можно утверждать, что увеличение интенсивности связано именно с западными (положительными) аномалиями ветра. Согласно теории эволюции Эль-Ниньо западные аномалии ветра генерируют

ВТ Эль-Ниньо ЦТ Эль-Ниньо

ТПО / ветер на 850 гПа

60° з.д.

8.Д. 140° 16 0" 180° 160° 140° 120° 100° 0,04 м/с 6,26 м/с

В.Д. 140° 160° 180° 160° 140° 120° 100° 0,02 м/с 2~/78м/с

ТПО / ветер на 200 гПа

в.д. 140° 160° 180° 160° 140° 120° 100° 80° 60° з.д. в.д.140° 160° 180° 160° 140° 120° 100° 0,26 м/с 13,25 м/с 0,0*05 м/с 5ДИ м/с

Уходящая длинноволновая радиация (конвекция)

с.ш. 20' 10' 0' 10' ю.ш.20' з.д. в.д. 140° 160° 180°

в.д. 140° 160°

140° 120° 100°

Осадки

с.ш. 20° 10°

о°-

Ю.Ш.20"

з.д. в.д. 140° 160° 180° 160° 140° 120° 100°

в.д. 140° 160° 180° 160° 140° 120° 100° 80'

Вертикальные движения на 500 гПа

1-0.04 в.д. 140° 160° 180° 160° 140° 120° 100'

С.Ш. 20° 10° о°-10°" ю.ш. 20° J

з.д. в.д. 140° 160° 180° 160° 140° 120° 100°

] 0.018 0.012

3-0.006

q-0.012 1-0.018 1-0.024 ■ -0.030

Рис. 12. а) Аномалии температуры поверхности океана (°С) и ветра на поверхности 850 гПа (а), 200 гПа (б), уходящей длинноволновой радиации (в), осадков (г) и аналога вертикальной скорости на 500 гПа (д) по данным NCEP/NCAR реанализа. Композиционные карты для канонического Эль-Ниньо (слева) и для Эль-Ниньо Модоки (справа).

волну Кельвина в океане, которая заглубляет термоклин. Для проверки реализации этого механизма был построен временной ход интенсивности океанической волны Кельвина для первой и второй бароклинной моды (отражающих структуру вертикального распределения температуры в перемешанном слое). На рис.15 (б,г,ж,и) видно, что одновременно с положительной аномалией МЮ наблюдается положительная аномалия интенсивности первой бароклинной моды океанической волны Кельвина. Причем эта аномалия проявляется именно в подъеме уровня океана, то есть заглублении термоклина, так как асимметрия этого сигнала положительна (рисунок приводится в диссертации). Поскольку данная аномалия уровня океана рас-

ВТ Эль-Ниньо ЦТ Эль-Ниньо

с.ш. 20° 10° 0° 10° ю.ш. 20°

в.д. 120° 140° 160° 180° 160° 140° 120°

Потенциальная температура перемешанного слоя

с.ш. 20° 10° 0° 10°

ю.ш. 20°

з.д. в.д. 120° 140° 160° 180° 160° 140° 120° 100°

с.ш. 20' 10° 0° 10° ю.ш. 20°

б)

Потоки в перемешанном слое

' Л ~ ? -».--Г > > -ч

в.д. 120° 140° 160° 180° 160° 140° 120° 100°

с.ш. 20' 10' 0' 10'

ю.ш. 20'

'з.д. в.д. 120° 140° 160° 180° 160° 140° 120° 100°

З.д.

В)

с.ш. 20° 10° 0° 10° ю.ш. 20°

Зональный поток в перемешанном слое

в.д. 120° 140° 160° 180° 160°

с.ш. 20°

10°

0°

10°

ю.ш. 20° в.д. 120°

140° 160°

Вертикальные движения на глубине 50 м (м/сх10е)

Рис. 13. Композиционные карты аномалий потенциальной температуры океана (а), горизонтального переноса в океане (б), зональной составляющей переноса (в), осредненных в верхнем 50-метровом слое, и вертикальных движений на глубине 50 м (г) по данным SODA. Композиционные карты для канонического Эль-Ниньо (слева) и для Эль-Ниньо Модоки (справа).

пространяется с запада на восток и достигает Южной Америки в декабре, то можно заключить, что заглубление термоклина, связанное с ней, приводит к формированию условий Эль-Ниньо. Важно обратить внимание, что максимум интенсивности второй бароклинной моды волны Кельвина соответствует аномалиям волн Россби

ВТ Эль-Ниньо ЦТ Эль-Ниньо

Ла-Ниньа

в)

Климат

J щч

о ( со \ SM

-) % V iHV\ 1

S s

щ I т Rs i

_ пик Эль-Ниньо/ Ла-Ниньа

"о со et з: х

О) S г

100° 8.Д. 180°з.д. 100" 100" в.д. 180°з.д. 100° 100° в.д. 180°з.д.100° 100° в.д. 180°з.д.100°

Рис. 14. Долготно-времениые разрезы вдоль экватора скользящего среднеквадратичного отклонения (СКО) зональной компоненты ветра на 850 гПа (TJ850), отфильтрованной в интервале MJO (верхняя панель), экваториальных волн Россби (средняя панель) и экваториальных волн Кельвина (нижняя панель). Композиционные разрезы для ВТ Эль-Ниньо (1965-66, 1972-73, 1976-77, 1982-83, 1997-98) -первый столбец, ЦТ Эль-Ниньо (1968-69, 1990-91, 1994-95, 2002-2003, 2004-2005, 2006-2007) - второй столбец, Ла-Ниньа (1970-71, 1973-74, 1975-76, 1984-85, 1988-89, 1998-99, 1999-2000)-третий столбец и среднемноголетний годовой ход (осреднение за период 1960-2008 гг.) - четвертый столбец. Январь 0 соответствует пику явления Эль-Ниньо. Интервал 0.1 м/с для волн Кельвина и 0.2 м/с для MJO и волн Россби. Жирная коричневая линия показывает среднее положение изотермы 28 °С для каждого из композитов.

Ноя 0 Сен 0 Июл 0 Май 0 Map 0 Янв 0 Ноя -1 Сен-1 Июл -1 Май-1 Map -1 Янв-1

100° в.д. 180° з.д. 100° 100° в.д. 180°з.д. 100° 100° в.д. 180° з.д. 100° 100° в.д. 180° з.д. 100°

CD X £

пик Эль-Ниньо/ Ла-Ниньа

и)

Ноя 0 Сен 0 Июл 0 Май 0 Map 0 Янв 0 Ноя -1 Сен-1 Июл -1 Май-1 Мар-1 Янв-1

100° в.д. I

°з.д. 100° 100° в.д. 180°з.д. 100° 100° в,д. 180° з.д. 100°

100° в.д. 180°з.д. 100°

(рис.15в,д), роль которых в генерации Эль-Ниньо до настоящего исследования не рассматривалась. Это существенный факт, так как наиболее сильные и быстро развивающиеся Эль-Ниньо связаны с аномалией именно второй моды.

Отличие в поведении компонент ВТИ между Эль-Ниньо Модоки и каноническим в фазу развития заключается в меньших абсолютных значениях аномалий, особенно для МГО, в период Эль-Ниньо Модоки, а также в меньшем вкладе второй бароклинной моды в океане в аномалию уровня и термоклина (рис.15ж-к).

Наиболее существенные различия между двумя типами Эль-Ниньо проявляются в фазу кульминации и угасания. При каноническом Эль-Ниньо интенсивность и МЮ, и волн Россби резко падает (отрицательные аномалии на рис. 156,в), одновременно уменьшается интенсивность волн Кельвина в океане (рис.15г,д), в результате термоклин приподнимается и ТПО резко падает (рис. 15а). При Эль-Ниньо Модоки положительные аномалии интенсивности МЮ и волн Россби сохраняются в фазу кульминации и после нее (рис.15ж,з), они поддерживают волну Кельвина (рис.15и,к), и ТПО остается выше нормы в течение всего следующего года (рис.15е). Таким образом, при каноническом Эль-Ниньо ВТИ вносит главный вклад в развитие аномалии ТПО, а при Эль-Ниньо Модоки - в ее сохранение.

На основании полученных результатов был предложен следующий механизм взаимодействия между ТПО, колебаниями Маддена-Джулиана и экваториальными волнами Россби (рис.16). В нормальных условиях над Тихим океаном господствует пассатный перенос. На западе Тихого океана локализован очаг теплых вод, а термоклин расположен глубоко, на востоке, напротив термоклин приподнят, а поверхностные воды относительно холодные. В год, предшествующий Эль-Ниньо, на западе Тихого океана, как правило, наблюдается западная аномалия ветра. При усилении МЮ в этом районе западная аномалия ветра, связанная с МЮ, складывается с западной аномалией среднего потока и приводит к возникновению всплеска западных ветров. Он генерирует волну Кельвина в океане, которая, распространяясь на восток, приводит к заглублению термоклина на всем протяжении экваториального Тихого океана (рис.16а,д). Возникает положительная обратная связь между океаном и атмосферой: распространение на восток области повышенной ТПО способствует смещению на восток максимума МЮ, которые поддерживает существование волны Кельвина (рис.166,е). Когда волна Кельвина достигает центральных районов Тихого океана, ее амплитуда поддерживается за счет западных аномалий ветра, связанных с экваториальной волной Россби. Возникает второй пакет волн Кельвина в океане (рис.16в,ж). В условиях канонического Эль-Ниньо атмосферные волны Россби вызывают отклик в океане,

проявляющийся в аномалиях второй бароклинной волны Россби (рис.16в), которая способствует возникновению самых сильных явлений Эль-Ниньо. Возможно поэтому наиболее яркие Эль-Ниньо двадцатого столетия относятся к каноническому типу. В условиях Эль-Ниньо Модоки волны Россби вызывают отклик, проявляющийся в интенсификации первой бароклинной моды океанической волны Кельвина (рис.16ж). Когда аномалия термоклина, связанная с волнами Кельвина, достигает побережья Южной Америки при каноническом Эль-Ниньо или центра Тихого океана при Эль-Ниньо Модоки, то там заглубляется термоклин и повышается ТПО (рис.16г,з). При каноническом Эль-Ниньо после фазы кульминации интенсивность МГО и волн Россби резко уменьшается, волна Кельвина в океане

1.0 0.5 0.0 -0.5 100°в.д. 180°з.д.100° 100° в.д. 180° э.д. 100° 100° в.д. 180° з.д. 100° 100° в.д. 180° з.д. 100°

Рис. 15. Композит аномалий ТПО, осредненных по району Nino3 (5° ю.ш. - 5° с.ш.; 150°-90° з.д.) для ВТ Эль-Ниньо (а) и району Nino4 (5° ю.ш. - 5° с.ш., 160° в.д. - 150° з.д.) для ЦТ Эль-Ниньо (е), нормализованный на максимальное по данному композиту значение аномалии ТПО (2.21 °С и 0.87 "С соответственно). Долготно-временной разрез вдоль экватора аномалий скользящего СКО поля ветра на 850 гПа, отфильтрованного в интервале MJO (б,ж), экваториальных волн Россби (в,з), первой бароклинной моды океанической волны Кельвина (г,и), второй бароклинной моды океанической волны Кельвина (д,к). Композиционные разрезы для ВТ Эль-Ниньо (1965-66, 1972-73, 1976-77, 1982-83, 1997-98) -верхняя панель, ЦТ Эль-Ниньо (1968-69, 1990-91, 1994-95, 2002-2003, 2004-2005,2006-2007) - нижняя панель. Интервал 0.05 м/с для MJO и волн Россби, 0.1 см для первой моды волны Кельвина и 0.05 см для второй моды волны Кельвина. Районы, для которых разность между ВТ и ЦТ условиями является значимой на 75% уровне вероятности, заштрихованы.

Россби Океаническая Океаническая

волна Кельвина волна Кельвина

мода 1 мода 2

3) г) д)

. пик Эль-Ниньо

100° в.д. 180° З.Д. 100° 100° в.д. 180° з.д. 100° 100° в.д. 180° з.д. 100°

АТПО MJO

Ноя О Сен 0 Июл 0 Май 0 Map 0

Ноя -1 Сен -1 Июл -1 Май -1 Мар-1 Янв-1

100° в.д. 180° з.д. 100°

ослабляется и аномалия ТПО исчезает. При Эль-Ниньо Модоки после фазы кульминации интенсивность МЮ и волн Россби остается аномально высокой, и аномалия ТПО сохраняется в течение последующего года.

Модели достаточно верно воспроизводят вклад компонент ВТИ в механизм формирования двух типов Эль-Ниньо. При этом более длинные временные ряды, доступные по модельным данным, позволяют увеличить количество анализируемых явлений ВТ и ЦТ типа, что обеспечивает более высокую статистическую

Каноническое Эль-Ниньо

а)

Эль-Ниньо Модоки

ио .

Россби -г-

1ШО

Россби

Рис. 16. Схема эволюции двух типов Эль-Ниньо.

значимость полученных различий и, таким образом, позволяет с высокой достоверностью заключить, что колебания Маддена-Джулиана и экваториальные волны Россби вносят различный вклад в эволюцию канонического и Модоки Эль-Ниньо в тропическом Тихом океане.

Глава 5. Эль-Ниньо в условиях потепления климата.

Как обсуждалось в предыдущих главах, явление Эль-Ниньо испытывает значительные модуляции на многолетних временных масштабах. Изменяются как его собственные характеристики, так и характер взаимодействия с процессами других временных масштабов, как меньших (внутрисезонная изменчивость), так и больших (десятилетние колебания). Сценарии потепления климата, обусловленные увеличением содержания углекислого газа в атмосфере, предполагают наиболее резкие изменения среднего состояния океана-атмосферы, поэтому внимание многих исследователей направлено на изучение возможных изменений свойств Эль-Ниньо в условиях потепления климата. В некоторых работах утверждается, что повторяемость Эль-Ниньо Модоки при потеплении климата увеличивается [УеЬ е1 а1., 2009]. Существует гипотеза о переходе климатической системы тропического Тихого океана в режим перманентного Эль-Ниньо на фоне общего потепления климата планеты. Однако единого мнения по поводу ожидаемых изменений характеристик Эль-Ниньо, вызванных потеплением, на настоящий момент не существует.

В настоящем исследовании особое внимание уделяется двум модификациям Эль-Ниньо, поэтому нами рассмотрено изменение характеристик канонического и Модоки Эль-Ниньо при потеплении климата, в частности, амплитуды и локализации аномалий в океане и атмосфере, а также влияние потепления на механизм генерации Эль-Ниньо, в частности, на изменение вклада процессов внутрисезонного масштаба.

Так как существуют гипотезы об увеличении повторяемости Эль-Ниньо Модоки при потеплении климата, возникает вопрос, может ли среднее состояние океана-атмосферы влиять на повторяемость одного или другого типа Эль-Ниньо, определяя условия в океане и атмосфере более благоприятные для развития потепления в центре или на востоке Тихого океана. Вследствие того что для изучения изменения характеристик ЭНЮК в условиях меняющегося климата, а также влияния среднего состояния атмосферы и океана на повторяемость ЦТ и ВТ Эль-Ниньо, период доступных данных наблюдений недостаточно продолжителен, целесообразным представляется использовать данные модельных экспериментов. На основании оценки воспроизведения различными моделями общей циркуляции океана-атмосферы характеристик двух типов Эль-Ниньо, изменения повторяемости канонического и Модоки Эль-Ниньо, а также взаимосвязей между ВТИ и

ЭНЮК для дальнейшего анализа была выбрана модель Института вычислительной математики РАН (ШМ-СМ4.0). Она адекватно воспроизводит основные аномалии, сопровождающие каноническое Эль-Ниньо и Эль-Ниньо Модоки, а также противофазную смену периодов интенсивных ВТ и ЦТ Эль-Ниньо, отмечающуюся в данных наблюдений (в эпоху интенсивных канонических Эль-Ниньо наблюдается ослабление Эль-Ниньо Модоки и наоборот).

На основании данных модели ШМ показано, что среднее состояние климатической системы тропический океан-атмосфера существенно различается в эпохи интенсивных канонических и Модоки Эль-Ниньо. Каноническое Эль-Ниньо чаще образуется на фоне общего потепления поверхностных вод в тропиках Тихого океана и увеличения вертикальных градиентов температуры в океане, ослабленного пассата над всей акваторией тропического Тихого океана и менее интенсивного апвеллинга у берегов Южной Америки. Увеличению повторяемости Эль-Ниньо Модоки способствует уменьшение зонального градиента температуры перемешанного слоя океана, увеличение интенсивности пассата в центральном и восточном Тихом океане, наличие аномальной зоны конвергенции в районе линии перемены дат, а также большие меридиональные градиенты зонального переноса вдоль экватора и интенсивные нисходящие движения в океане в области формирования явления (рисунки приводятся в диссертации).

Для оценки изменений характеристик Эль-Ниньо в условиях потепления климата были использованы данные численного эксперимента модели ПЧМ-СМ4.0 сценария А2. В качестве сценария изменения климата выбран самый «жесткий», из всех предложенных 1РСС, чтобы полученные различия в характере аномалий, сопро-

Разность «теплого» и контрольного экспериментов ТПО U850

Рис. 17. Разность между аномалиями ТПО (а,б) и скорости зонального ветра на поверхности 850 гПа (в,г) по данным «теплого» и контрольного экспериментов модели INM-CM4 для условий канонического Эль-Ниньо (а,в) и Эль-Ниньо Модоки (б,г).

вождающих два типа Эль-Ниньо, проявились наилучшим образом. На основании анализа композиционных карт аномалий ТПО, циркуляции в верхней и нижней тропосфере и вертикальных движений в период канонического и Модоки Эль-Ниньо, а также регрессий вышеперечисленных полей на индексы ЦТ и ВТ Эль-Ниньо показано, что в условиях глобального потепления климата происходит постепенное ослабление канонических явлений Эль-Ниньо, в результате чего явление Модоки становится более интенсивным по сравнению с каноническим (в качестве примера на рис.17 приведены отклонения ТПО и ветра по данным теплого эксперимента от контрольного). При этом, в целом, амплитуда аномалий всех параметров в период обоих типов Эль-Ниньо уменьшается, что свидетельствует об ослаблении явления Эль-Ниньо при более высокой средней температуре океана.

Характер взаимосвязей между компонентами ВТИ и Эль-Ниньо несколько изменяется в условиях потепления климата. Особенно сильные изменения затрагивают поле УДР, а соответственно и зоны конвекции и осадков: вклад МЮ в развитие аномалий ТПО ослабляется, а усиление волн Кельвина отмечается перед кульминацией Эль-Ниньо, а не в ответ на изменения ТПО. В поле нижнетропосферного ветра изменения менее значительные. В целом, связь между предшествующим усилением интенсивности МЮ и волн Россби и последующим Эль-Ниньо остается значимой, как и в условиях реального климата (рис. 18). Соответственно, можно предположить, что роль этих возмущений в механизме генерации Эль-Ниньо сохраняется в условиях потепления климата.

Колебания Маддена-Джулиана Экваториальные волны Россби

а) б) в) г)

■ М М ) II I I ■ -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6

Рис. 18. Корреляция со сдвигом между ТПО в №по3.4 (Янв 0) и экваториально осредненным Ш50, отфильтрованными в интервале МЮ (а,б) и волн Россби (в,г). Результаты по 1ЫМ-СМ4.0; а,в) результаты контрольного эксперимента, 45-74 модельные годы; б,г) результаты эксперимента по сценарию А2 (2071-2100 гг.). Интервал 0.1.

Глава 6. Дальние связи явления Эль-Нииьо - Южное колебание.

Эль-Ниньо - Южное колебание, являясь наиболее ярким примером межгодовой климатической изменчивости, оказывает значительное влияние на климат и погоду во многих удаленных районах Земного шара. Исследованию так называемых дальних связей Эль-Ниньо посвящено огромное количество работ (см. краткий обзор в главе 1 диссертации, а также [ТгепЬеЛЬ й а1.; 1998, Лаппо и др., 1990; Петросянц и др., 2005]). В настоящей работе не ставилась цель охватить весь спектр дальних связей ЭНЮК. Акцент сделан на некоторых аспектах удаленного воздействия, анализ которых связан с целями данной работы. Разработанная модель промежуточной сложности позволяет исследовать механизмы удаленного отклика, а также масштабы его распространения по земному шару. Поэтому в работе проведена оценка соотношения удаленного воздействия со стороны Эль-Ниньо и локального взаимодействия океана-атмосферы в различных районах тропиков с использованием экспериментов на модели ЬСЮСА-<ЗТСМ. В качестве примера рассмотрено взаимодействие между процессами в Тихом и Атлантическом океанах в период потепления экваториальной Атлантики в 1996 году. Одной из главных целей настоящей работы является исследование новой модификации ЭНЮК — Эль-Ниньо Модоки. Анализ удаленного отклика на это явление и сравнение с откликом на каноническое Эль-Ниньо также охватывает очень широкий круг вопросов. Особое внимание в данном исследовании обращено на крупномасштабный отклик атмосферной циркуляции на два типа Эль-Ниньо, так как распространение сигнала из тропиков в умеренные широты осуществляется посредством волн Россби, которые наиболее ярко проявляются в полях давления и циркуляции, тогда как аномалии погоды, в первую очередь температуры и осадков, обусловлены влиянием большего количества факторов, маскирующих эффект воздействия со стороны тропического океана. Также в работе обращено внимание на межмасштабное взаимодействие между аномалиями в тропиках, и в качестве примера рассмотрено влияние Эль-Ниньо на процессы внутрисезонного и синоптического масштаба у побережья Южной Америки.

Во многих исследованиях показано, что явление Эль-Ниньо оказывает значительное влияние на формирование короткопериодных аномалий климата в различных регионах земного шара, однако в любой точке Земли изменчивость климата определяется вкладом целого ряда факторов. Определить роль каждого из них на основании анализа данных наблюдений весьма затруднительно. Для этих целей часто используются так называемые модельные эксперименты на чувствительность атмосферы, которые позволяют подавлять влияние отдельных внешних факторов, сохраняя воздействие интересующего процесса. Модель ЬОБСА-ОТСМ была использована для анализа соотношения между вкладом удаленного воздействия Эль-Ниньо и локального взаи-

модействия океана-атмосферы в формирование аномалий метеополей в тропической зоне. Эксперименты на чувствительность модели к граничным условиям и различным параметрам позволили выявить районы, где изменчивость атмосферных процессов определяется в значительной мере откликом на процессы в экваториальном Тихом океане, и районы, где преобладает локальное взаимодействие между океаном и атмосферой. Было также показано, что на амплитуду отклика в значительной степени влияет взаимосвязь между ветром и испарением, задаваемая в модели, а также учет суши и влияние атмосферных возмущений внутрисезонного масштаба.

На основании экспериментов на модели ЬСЮСА-<ЗТСМ выявлено, что процессы в экваториальной Атлантике в большей степени, нежели в Индийском океане, испытывают удаленное воздействие со стороны Тихого океана, в частности, цикла ЭНЮК. В качестве примера в настоящей работе рассмотрен механизм влияния процессов в экваториальном Тихом океане на аномальное потепление в восточной экваториальной Атлантике летом 1996 года. На основании данных реанализа и модели промежуточной степени сложности ЬСЮСА-СуГСМ, адаптированной дтя тропической Атлантики, показано, что потепление в экваториальной Атлантике развивается по сценарию, схожему со сценарием развития Эль-Ниньо в тропическом Тихом океане, а именно в результате распространения океанической волны Кельвина с заглубленным термоклином, которая генерируется западными аномалиями ветра на западе бассейна. Показано, что ключевую роль в формировании аномалии в экваториальной Атлантике сыграли аномально холодные условия (Ла-Ниньа), отмечавшиеся на востоке Тихого океана с лета 1995 года. Они способствовали формированию у побережья Южной Америки нижнетропосферной дивергенции, возникшей над холодными водами, к востоку от которой возникли западные аномалии ветра. Последние распространялись на восток и сгенерировали западные аномалии напряжения ветра в экваториальной Атлантике в конце 1995 года. Модельные эксперименты показали, что, с одной стороны, условия в тропиках Тихого океана в 1995-96 гг. являются решающими в генерации аномалии 1996 года в экваториальной Атлантике: когда возбуждающий сигнал в Тихом океане отсутствует, потепление не возникает. С другой стороны, если отсутствует взаимодействие океана-атмосферы в экваториальной Атлантике (эксперимент, в котором линейная модель океана возбуждалась аномалиями напряжения ветра, полученными в эксперименте, где реальная ТПО задается только в тропиках Тихого океана) амплитуда аномалий ТПО, наблюдавшаяся в период потепления 1996 года в экваториальной Атлантике, не воспроизводится. Это свидетельствует о том, что локальное взаимодействие океана-атмосферы в Атлантике вносит свой вклад в рост аномалий в период потепления. Таким образом, можно заключить, что явление

1996 года в Атлантике является результатом реализации положительных обратных связей между локальным взаимодействием океана-атмосферы в экваториальной Атлантике и удаленным воздействием со стороны Тихого океана.

Взаимодействие между Эль-Ниньо и Атлантическим Ниньо представляет собой пример удаленного отклика на межгодовых масштабах. Однако существует и межмасштабное взаимодействие, а именно Эль-Ниньо оказывает влияние на процессы меньшего (внутрисезонного и синоптического) временного масштаба. В качестве примера влияния Эль-Ниньо на процессы синоптического масштаба исследована изменчивость Перуанского нижнетропосферного струйного течения (ПСТ) в годы с Эль-Ниньо. Показано, что в условиях Эль-Ниньо Модоки ПСТ ослаблено и наблюдается реже, следовательно, связанное с ним усиление апвел-линга также выражено слабее. В годы восточно-тихоокеанского Эль-Ниньо ПСТ и связанный с ним апвеллинг более интенсивны. Однако вследствие заглубленного термоклина апвеллинг в условиях Эль-Ниньо приводит к подъему теплых, а не холодных вод, что сопровождается повышением ТПО. Кроме того обнаружено, что Эль-Ниньо приводит к смещению периода возникновения ПСТ в годовом ходе.

Многие авторы исследовали процессы и механизмы влияния ЭНЮК на циркуляцию во внетропических широтах. В результате было установлено, что атмосферный отклик на процессы в Тихом океане распространяется посредством волн Россби. Изменения экваториальной температуры поверхности океана (ТПО) способны возбуждать крупномасштабные квазистационарные волны, наилучшим образом проявляющиеся в верхней тропосфере, которые приводят к формированию значительных аномалий во внетропической атмосферной циркуляции. Однако до настоящего времени механизм передачи аномального воздействия океана в тропиках на удаленные районы атмосферы умеренных широт остается не до конца изученным и требует дальнейших исследований как на основании данных наблюдений, так и экспериментов на моделях общей циркуляции атмосферы.

В диссертации для анализа взаимосвязей между аномалиями в тропиках Тихого океана, обусловленными ЭНЮК, и крупномасштабной атмосферной циркуляцией использованы индексы циркуляции, предложенные М.А. Петросянцем и автором, а именно: циркуляция скорости ветра вдоль круга широты и циркуляция вдоль контуров, охватывающих основные центры действия атмосферы и районы активной циклонической деятельности. Анализ синхронных и асинхронных связей между индексами циркуляции и ТПО в районе ЫтоЗ показывает, что аномалии циркуляции в атмосфере, обусловленные Эль-Ниньо, носят циклический характер, и атмосферный отклик распространяется из тропиков в более высокие широты обоих полуша-

рий. Распределение корреляций свидетельствует, что возникновение положительной (отрицательной) аномалии ТПО в экваториальном Тихом океане сопровождается появлением западной (восточной) аномалии циркуляции скорости ветра вдоль круга широты (рис.19), то есть явление Эль-Ниньо сопровождается усилением западной циркуляции в умеренных широтах и ослаблением восточной циркуляции в тропиках. В приэкваториальных районах в нижней тропосфере в период Эль-Ниньо отмечается усиление западной циркуляции, чему соответствуют положительные коэффициенты корреляции, а в верхней тропосфере отмечается усиление восточной циркуляции (зона отрицательных коэффициентов). В период явления Ла-Ниньа наблюдаются обратные процессы (рис. 19).

Анализ взаимосвязей между аномалиями ТПО, связанными с ЭНЮК, и циркуляцией в центрах действия атмосферы показал, что максимальные коэффициенты корреляции при малых сдвигах по времени (до двух месяцев) отмечаются в экваториальной ложбине, а также в тропиках Тихого и Индийского океанов: повышение ТПО экваториального Тихого океана сопровождается усилением циклонической циркуляции в Тихоокеанской экваториальной ложбине и ослаблением циклонической циркуляции в экваториальной ложбине над Индийским океаном. Этот факт, по-видимому, связан со смещением района максимальной ТПО из Индий-

850 гПа 500 гПа 200 гПа

сдвиг(месяцы) сдвиг(месяцы) сдвиг(месяцы)

Рис. 19. Кросс-корреляция между 12-месячным скользящим средним аномалий циркуляции скорости вдоль круга широты на а) 850 гПа, 6) 500 гПа, в) 200 гПа и аномалиями ТПО в районе Nino3 (5° с.ш. -5° ю.ш.; 150°-90° з.д.). Корреляция рассчитана для периода 1958-1997 гг. Отрицательные сдвиги - атмосфера опережает изменения ТПО, положительные сдвиги - атмосфера следует за изменениями ТПО. Закрашены коэффициенты корреляции больше |0.2|. Интервал 0.1. Жирная линия - нулевая корреляция.

ского океана в Тихий и соответствующим усилением циклонической циркуляции над теплыми водами. Южно-Тихоокеанский антициклон ослабляется, однако для западной части антициклона ослабление циркуляции отмечается только в период, предшествующий максимуму ТПО, тогда как в фазу кульминации и последующий период циркуляция наоборот усиливается. Аналогичный процесс наблюдается в Маскаренском антициклоне. Интересно отметить усиление антициклонической циркуляции в тропиках Северного полушария Индийского океана в период максимума Эль-Ниньо. Связи с циркуляцией в остальных субтропических антициклонах (Гавайском, Азорском и Южно-Атлантическом) практически не значимы.

Во внетропических широтах наиболее тесные связи обнаруживаются с циркуляцией над северо-американским континентом: усиливаются Мексиканская депрессия и Канадский антициклон. Эти изменения согласуются с известным откликом внетропической тропосферы на аномалии температуры в тропиках, называемым Северо-Тихоокеанской аномалией (РМА). РМА проявляется в виде следующих аномалий давления, возникающих вслед за явлением Эль-Ниньо в Тихом океане: отрицательная аномалия в районе Алеутской депрессии, положительная в Канадском антициклоне и отрицательная над Мексикой. Чрезвычайно интересным является факт наличия значимого отклика в циркуляции Сибирского антициклона (явление Эль-Ниньо сопровождается ослаблением Сибирского антициклона и усилением циклонической циркуляции в этом регионе). Значимые положительные связи отмечаются и над европейским континентом, а именно явлению Эль-Ниньо сопутствует усиление циклонической деятельности на западно-европейской ветви полярного фронта.

Относительно небольшие (но значимые) значения коэффициентов корреляции говорят о том, что циркуляция в центрах действия определяется многими факторами, и лишь часть ее изменчивости объясняется откликом на явление Эль-Ниньо.

Необходимо отметить, что для анализа взаимосвязей между индексом циркуляции и ТПО использовались не исходные ряды ежемесячных аномалий, а сглаженные скользящим осреднением по 12-месячному периоду. Изменение интервала осреднения оказывает большое влияние на характер и величину корреляционной I связи: по мере увеличения интервала сглаживания рядов глобальной циркуляции коэффициенты корреляции в большинстве случаев возрастают и достигают максимума при 9-15 месячном скользящем осреднении (в зависимости от широты и изобарической поверхности). В отдельных случаях при изменении масштаба осреднения коэффициенты корреляции могут даже менять знак. Таким образом, правильный выбор масштаба осреднения более изменчивых по сравнению с оке-

аном атмосферных процессов имеет определяющее значение при изучении взаимосвязей между тропическим океаном и глобальной циркуляцией.

На настоящий момент вопрос о том, насколько локализация аномалий ТПО сказывается на изменении отклика крупномасштабной атмосферной циркуляции, остается спорным. Одни авторы считают, что по мере распространения сигнала из тропиков в умеренные широты в результате его взаимодействия со средним потоком во внетропической атмосфере сигнал преобразуется, и начальное положение аномалии ТПО не играет существенного значения. Другие авторы показывают, что изменение локализации ТПО в период Эль-Ниньо Модоки в некоторых районах вызывает

отклик противоположный тому, что

ВТ Эль-Ниньо

а)

ЦТ Эль-Ниньо

-20 -10 0 10 20 сдвиг(месяцы)

б)

0° -Ш

-20 -10 0 10 20 сдвиг(месяцы)

с о

-20 -10 0 10 20 сдвиг (месяцы)

-20 -10 0 10 20 сдвиг(месяцы)

наблюдается при каноническом Эль-Ниньо. В связи с этим представляло интерес оценить, как изменяются взаимосвязи между индексами циркуляции и ЭНЮК для двух типов Эль-Ниньо. С этой целью для периода с 1950 по 2012 год были рассчитаны синхронные и асинхронные корреляции между индексами циркуляции Петросянца-Гущиной и индексами ЦТ и ВТ, характеризующими аномалии ТПО в период Эль-Ниньо Модоки и канонического. Анализ полученных результатов показал, что отклик крупномасштабной зональной циркуляции существенно различается (рис.20). Во-первых,

Рис. 20. Кросс-корреляция между 12-месячным скользящим средним аномалий циркуляции скорости вдоль круга широты на а) 200 гПа, б) 500 гПа, в) 850 гПа и индексом ВТ (слева), индексом ЦТ (справа). Отрицательные сдвиги — атмосфера опережает изменения ТПО, положительные сдвиги -атмосфера следует за изменениями ТПО. Закрашены коэффициенты корреляции больше |0.2|. Интервал 0.1. Жирная линия - нулевая корреляция.

во всей тропосфере отклик на Эль-Ниньо Модоки сильнее, чем на каноническое, что обусловлено большей чувствительностью атмосферы к аномалиям в регионе индо-тихоокеанского теплого бассейна, где наиболее развиты процессы глубокой конвекции, несмотря на то что максимальные аномалии в тропическом океане наблюдаются на востоке Тихого океана. При этом характер отклика глобальной циркуляции схож для двух типов Эль-Ниньо. Это объясняется тем, что основной причиной возникновения аномалии внетропической циркуляции является распространение волн Россби от источника тепла в тропосфере, обусловленного выделением скрытого тепла в процессе глубокой конвекции над аномально прогретыми водами. Наши результаты подтверждают высказывавшуюся ранее гипотезу, что изменение по долготе локализации аномалий ТПО не оказывает существенного воздействия на характер отклика внетропической циркуляции [ТгепЬегЙг е1 а1., 1998].

Связи с циркуляцией в центрах действия атмосферы (ЦДА) и районах активной циклонической деятельности также зависят от типа Эль-Ниньо. Наш анализ показывает, что существуют барические системы, в которых отклик на две моды Эль-Ниньо противоположен, однако величина корреляции в этих контурах, как правило, мала и часто незначима. Среди ЦДА, для которых связь значима и меняет знак при ЦТ и ВТ Эль-Ниньо, можно отметить западную часть Гавайского антициклона, Азорский антициклон и экваториальную ложбину в Атлантическом океане. Гавайский антициклон при ЦТ Эль-Ниньо ослабевает, а при ВТ Эль-Ниньо связь практически отсутствует. В Азорском антициклоне, напротив, при Эль-Ниньо Модоки циркуляция усиливается, тогда как в условиях канонического Эль-Ниньо связи очень слабые. Аналогичная ситуация наблюдается и в приэкваториальных районах Атлантики.

Закономерность, которая прослеживается для всех контуров - это уменьшение связи в условиях канонического Эль-Ниньо. При этом знак корреляции сохраняется. ВТ Эль-Ниньо вызывает значимый региональный отклик только в непосредственной близости от района формирования (в экваториальной ложбине Тихого океана, Гавайском и Южно-Тихоокеанском антициклонах), а также в некоторых районах Индийского океана (экваториальная ложбина и циклоны Южного полушария). Значимые связи отмечаются в Сибирском антициклоне и Мексиканской депрессии. Таким образом, подтверждается вывод, полученный для глобальной зональной циркуляции: отклик на Эль-Ниньо Модоки выражен сильнее, а характер взаимосвязей не зависит от типа Эль-Ниньо. Учитывая то, что интенсивность циркуляции во многом определяет аномалии погоды в пределах исследуемых контуров, можно предположить, что отклик в аномалиях погоды, наблюдающийся в условиях Эль-Ниньо Модоки, не будет выражен в условиях канонического Эль-Ниньо.

В заключении сформулированы основные выводы работы.

1. Показано, что взаимосвязи между колебаниями Маддена-Джулиана и Эль-Ниньо наиболее ярко проявляются в определенные сезоны года. А именно интенсификация МГО весной - в начале лета Северного полушария на западе Тихого океана предшествует Эль-Ниньо, максимум которого отмечается следующей зимой.

2. Определена важная роль экваториальных атмосферных волн Россби в механизме генерации аномалии ТПО в период Эль-Ниньо: их интенсификация в начале лета Северного полушария в центре Тихого океана предшествует развитию Эль-Ниньо, при этом вклад волн Россби сопоставим с вкладом колебаний Маддена-Джулиана.

3. Предложен механизм влияния МГО и волн Россби на генерацию Эль-Ниньо, основанный на взаимодействии аномальных западных ветров, связанных с возмущениями внутрисезонного масштаба, с океанической волной Кельвина.

4. Показано, что аномалии ТПО и основных метеорологических полей в период двух типов Эль-Ниньо различаются между собой (различия значимы на 90-процентном уровне вероятности). В условиях Эль-Ниньо Модоки зона высокой ТПО, соответствующие ей зоны аномальных восходящих движений, максимума конвекции и осадков смещены на запад относительно их положения в условиях канонического Эль-Ниньо.

5. Выявлено, что при каноническом Эль-Ниньо атмосферные возмущения внутрисезонного масштаба способствуют развитию явления, а при Эль-Ниньо Модоки - сохранению аномалии ТПО в течение длительного промежутка времени.

6. На основании модельных данных выявлено, что среднее состояние климатической системы «тропический океан - атмосфера» определяет условия благоприятные для развития одного или другого режима Эль-Ниньо.

7. Показано, что в условиях глобального потепления климата происходит постепенное ослабление канонических явлений Эль-Ниньо, в результате чего явление Модоки становится более интенсивным по сравнению с каноническим. При этом, в целом, амплитуда аномалий всех параметров в период обоих типов Эль-Ниньо уменьшается, что свидетельствует об ослаблении явления Эль-Ниньо на фоне более высокой средней температуры океана.

8. Разработан метод оценки особенностей крупномасштабной циркуляции с помощью нового индекса циркуляции - циркуляции скорости ветра по кругу широты или контуру центров действия атмосферы.

9. Показано, что отклик глобальной циркуляции на Эль-Ниньо Модоки интенсивнее, чем в случае канонического Эль-Ниньо, однако характер взаимосвязей меняется незначительно в зависимости от типа Эль-Ниньо.

In memoriam

Успешное выполнение настоящей работы было бы невозможно без всесторонней поддержки, доброжелательного отношения и общего научного руководства моего Учителя профессора Михаила Арамаисовича Петросянца (1919-2005), глубокое уважение и память о котором я храню в своем сердце.

Автор выражает глубокую благодарность за многолетнюю всестороннюю помощь моему коллеге и соавтору доктору Борису Девитту (Лаборатория геофизики и спутниковой океанографии, Тулуза, Франция). Автор благодарен доктору географических наук профессору Е.К. Семенову за многолетнюю поддержку и ценные рекомендации, доктору географических наук профессору A.B. Кислову за плодотворные дискуссии и всестороннюю поддержку. Автор признателен своим коллегам за помощь и ценные советы: кандидатам географических наук, доцентам H.H. Соколихиной и Г.В. Сурковой, кандидатам географических наук С.Ф. Алексеевой и П.И. Константинову, кандидату физико-математических наук С.Г. Ла-кееву, доктору С. Иллиг. Автор благодарен выпускнику кафедры геоморфологии М.А. Лобову за техническую помощь в оформлении диссертации, а также аспирантам, выпускникам и студентам кафедры метеорологии И. Железновой, С. Бры-лееву, Т. Аракелян, С. Коркмазовой, П. Афониной, А. Тимажеву, М. Пановой.

ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в журналах, входящих в перечень рецензируемых научных журналов и изданий для опубликования основных научных результатов диссертаций

1. Гущина Д.Ю., Петросянц М.А., Семенов Е.К. Эмпирическая модель циркуляции тропической тропосферы в период явления Эль-Ниньо - Южное колебание. I. Методика построения эмпирической модели // Метеорология и гидрология. 1997. № 1. С. 15-26.

2. Гущина Д.Ю., Петросянц М.А., Семенов Е.К. Эмпирическая модель циркуляции тропической тропосферы в период явления Эль-Ниньо - Южное колебание. II. Анализ эволюции циркуляционных характеристик//Метеорология и гидрология. 1997. № 2. С. 14-27.

3. Петросянц М.А., ГущинаД.Ю. Крупномасштабное взаимодействие глобальной циркуляции атмосферы с температурой поверхности экваториального Тихого океана // Метеорология и гидрология. 1998. № 5. С. 5-24.

4. Гущина Д.Ю., Петросянц М.А. О связи температуры поверхности экваториального Тихого океана с циркуляцией скорости ветра в центрах действия атмосферы//Метеорология и гидрология. 1998. № 12,С. 5-15.

5. Гущина Д.Ю., Девитт Б., Петросянц М.А. Объединенная модель тропического Тихого океана и атмосферы. Прогноз явления ЭНЮК 1997-98 гг. // Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана. 2000. Т. 36. № 5. С. 581-604.

6. Петросянц М.А., Гущина Д.Ю. Об оптимальном масштабе взаимодействия между температурой поверхности экваториального Тихого океана и циркуляцией вектора скорости ветра вдоль кругов широты и в центрах действия атмосферы // Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана. 2000. Т. 36. № 10. С. 5-15.

7. Петросянц М.А., Гущина Д.Ю., Соколихина Е В. Интегральные характеристики глобального поля ветра. Часть 1. Западный и восточный перенос, годовой ход и структура // Метеорология и гидрология. 2001. № 9. С. 25-39.

8. Петросянц М.А., ГущинаД.Ю. Об определении явлений Эль-Ниньо и Ла-Нинья. // Метеорология и гидрология. 2002. № 8. С. 24-35

9. Гущина Д.Ю., Петросянц М.А., Соколихина Е.В. Интегральные характеристики глобального поля ветра. Часть 2. Интенсивность западного и восточного переноса // Метеорология и гидрология. 2002. № 5. С. 5-16.

10. Суркова Г.В., Гущина Д.Ю. Воспроизведение циркуляционных особенностей современного климата моделями общей циркуляции атмосферы // Метеорология и гидрология. 2002. № 8. С. 36-52.

11. Dewitte В., Gushchina D., duPenhoat Y. and Lakeev S.: On the importance of subsurface variability for ENSO simulation and prediction with intermediate coupled models of the Tropical Pacific: A case study for the 1997-1998 El Nino // Geoph. Res. Lett. 2002. V. 29., P. 652-657.

12. Гущина Д.Ю. Оценка воспроизведения особенностей глобальной циркуляции атмосферы и взаимосвязей между тропиками и умеренными широтами в моделях общей циркуляции атмосферы ИВМ РАН и ARPEGE // Метеорология и гидрология. 2003. № 8. С. 5-26.

13. Соколихина Е.В., Семенов Е.К., Гущина Д.Ю., Teppe JI. Годовой ход и сезонная изменчивость циркуляции скорости зонального ветра по данным наблюдений и результатам моделирования // Метеорология и гидрология. 2004. № 12. С. 15-30.

14. ГущинаД.Ю., Девитт Б. Межгодовая климатическая изменчивость и дальние связи в квазиравновесной модели циркуляции атмосферы в тропиках // Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана. 2005. Т. 41. №4, С. 435-463.

15. Петросянц М.А., Гущина Д.Ю. Циркуляция вектора скорости ветра в центрах действия атмосферы как показатель осадков и температуры в их пределах. Часть 1. Анализ взаимосвязей на сезонных масштабах // Метеорология и гидрология. 2006. № 5. С. 5-20.

16. ГущинаД.Ю., Петросянц М.А. Циркуляция вектора скорости ветра в центрах действия атмосферы как показатель осадков и температуры в их пределах. Часть 2. Анализ взаимосвязей на синоптических масштабах // Метеорология и гидрология. 2006. № 6. С. 5-15.

17. Illig S., Gushchina D., Dewitte В., Ayoub N. and du Penhoat Y. The 1996 equatorial Atlantic warm event: Origin and mechanisms // Geophys. Res. Lett. 2006: V. 33, L09701, doi: 10.1029/2005GL025632.

18. Gushchina D., Dewitte В., and Illig S. Remote E NSO forcing versus local air-sea interaction in QTCM: a sensitivity study to intraseasonal variability. // Advances in Geosciences. 2006. V. 6, P. 289-297, SRef-ID: 1680-7359/adgeo/2006-6-289.

19. Illig S., Dewitte В., Ayoub N., Gushchina D., Du Penhoat Y., Reverdin G., De Mey P., Bonjean F„ Lagerloef G.S.E. Interannual long equatorial waves in the Tropical Atlantic (1981-2000) II European Space Agency, (Special Publication) ESA SP, № 614.

20. Гущина Д.Ю., Аракелян Т.Г., Петросянц М.А. Связь интенсивности циркуляции в барико-цир-куляционных системах с аномалиями температуры воздуха и осадков // Метеорология и гидрология. 2008. № 11. С. 5-20

21. Гущина Д.Ю., Девитт Б., Коркмазова С.А. Внутрисезонная изменчивость тропической тропосферы и ее воспроизведение в атмосферной модели промежуточной степени сложности // Метеорология и гидрология, 2010. № 4, С. 11-35.

22. Gushchina, D. and Dewitte В.: The relationship between intraseasonal tropical variability and ENSO and its modulation at seasonal to decadal timescales // Cent. Eur. J. Geosci. 2011. No. 1(2), P. 175-196, doi: 10.2478/s 13533-011-0017-3.

23. Dewitte В., Illig S., Renault L., Goubanova K., Takahashi K., Gushchina D., Mosquera K. and Purca S. Modes of covariability between sea surface temperature and wind stress intraseasonal anomalies along the coast of Peru from satellite observations (2000-2008) // J. Geophys. Res. 2011. V. 116, C04028. doi: 10.1029/2010JC006495.

24. Gushchina D., Dewitte B. 2012: Intraseasonal Tropical Atmospheric Variability Associated with the Two Flavors of El Nino. // Mon. Wea. Rev. 2012. V. 140, P. 3669-3681.

25. Железнова И.В., Гущина Д.Ю. Перуанское атмосферное струйное течение: синоптический механизм и пространственно-временная изменчивость // Метеорология и гидрология. 2013. № 9, С. 55-70.

Монографии и разделы в коллективных монографиях

26. Петросянц М.А., Семенов Е.К., ГущинаД.Ю., Соколихина Е.В., СоколихинаН.Н. Циркуляция атмосферы в тропиках: климат и изменчивость // М.: Макс Пресс. 2005. 670 с.

27. Гущина Д.Ю. Аномалии климата в тропиках Тихого, Индийского и Атлантического океанов // Современные глобальные изменения природной среды. Т. 1. М.: Научный мир, 2006. С. 129-174.

28. Гущина Д.Ю. Концепция явления Эль-Ниньо - Южное Колебание как аномалии планетарного масштаба // Географические школы Московского университета / под ред. Касимова Н.С. М.: Городец, 2008. С.591-601.

29. Гущина Д.Ю. Концепция дальних связей между тропиками и умеренными широтами // Географические школы Московского университета / под ред. Касимова Н.С. М.: Городец, 2008. С. 602-609.

30. Gushchina D., Dewitte В. Seasonal relationship between intraseasonal atmospheric tropical variability and ENSO in a tropical Pacific coupled model // Climate variability in the tropical Pacific: mechanisms, modeling and observations / ed. by Y.duPenhoat, A.V.Kislov. M.: MAKS Press, 2010. P. 111-140.

31. Dewitte В., Gushchina D. A Mechanism of ENSO modulation in an hybrid coupled model of the tropical Pacific model // Climate variability in the tropical Pacific: mechanisms, modeling and observations / ed. by Y.duPenhoat, A.V.Kislov. M.: MAKS Press, 2010. P. 96-110

32. Geleznova I.V., Gushchina D.Yu., Dewitte B. Large-scale atmosphere circulation associated to the Peruvian jet model // Climate variability in the tropical Pacific: mechanisms, modeling and observations / ed. by Y.duPenhoat, A.V.Kislov. M.: MAKS Press, 2010. P. 202-219.

Учебные пособия

33. Сорокина В.Н., Гущина Д.Ю. Климатология. География климатов. Учебное пособие. М.: Географический ф-т МГУ, 2006. 106 с.

34. Гущина Д.Ю. Синоптическая метеорология. Атмосферные фронты. Учебное пособие. М.: Географический ф-т МГУ, 2012. 110 с.

Статьи в зарубежных изданиях

35. Gushchina D.Yu., Lakeev S.G., Astafieva N.M. Spectral and Wavelet Analysis of Circulation Processes During the El-Nino Southern Oscillation. // Tropical climatology, meteorology, and hydrology / ed. by G.Demarre, J.Alexandre, M.De Dapper. Royal Meteorological Institute of Belgium, Royal Academy of Overseas Sciences. 1998. P. 355-362.

36. Gushchina D.Yu., Semenov E.K. and Lakeev S.G. The evolution of atmosphere circulation anomalies during El-Nino - Southern Oscillation // Tropical climatology, meteorology, and hydrology / ed. by G.Demarre, J.Alexandre, M.De Dapper. Royal Meteorological Institute of Belgium, Royal Academy of Overseas Sciences. 1998. P. 328-340.

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, доктора географических наук, Гущина, Дарья Юрьевна, Москва

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В.ЛОМОНОСОВА ГЕОГРАФИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

05201450891

На правах рукописи

ГУЩИНА Дарья Юрьевна

МОДИФИКАЦИЯ ЭЛЬ-НИНЬО В УСЛОВИЯХ МЕНЯЮЩЕГОСЯ КЛИМАТА: МОНИТОРИНГ, ПРИЧИНЫ, УДАЛЕННЫЙ ОТКЛИК

25.00.30 - метеорология, климатология, агрометеорология

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора географических наук

Москва, 2014

СОДЕРЖАНИЕ

Введение...............................................................................................................4

Глава 1. Эль-Ниньо - Южное колебание и внутрисезонная тропическая изменчивость: мониторинг и механизмы формирования............................11

1.1. Аномалии климата в тропиках Тихого океана,

явление Эль-Ниньо - Южное колебание (ЭНЮК)...........................................11

1.2. Два типа Эль-Ниньо: каноническое и Модоки.........................................42

1.3. Внутрисезонная тропическая изменчивость.............................................52

1.4. Взаимодействие между ВТИ и ЭНЮК.....................................................84

Глава 2. Материалы и методы исследования динамики

явления Эль-Ниньо - Южное колебание, его взаимодействия

с внутрисезонной тропической изменчивостью

и удаленного отклика в тропических и умеренных широтах.....................90

2.1. Данные........................................................................................................90

2.2. Интегральный индекс циркуляции как средство описания

крупномасштабных особенностей циркуляции атмосферы...............................92

2.3. Объединенная модель тропического океана-атмосферы промежуточной степени сложности LODCA-QTCM.....................................127

2.4. Метод выделения компонент

внутрисезонной тропической изменчивости ...................................................179

2.5. Методы выделения двух типов Эль-Ниньо..............................................182

2.6. Метод анализа вертикальной циркуляции в тропиках............................187

2.7. Краткое описание моделей общей циркуляции атмосферы и океана, используемых в работе......................................................................................188

Глава 3. Взаимосвязи между колебаниями Маддена-Джулиана,

экваториальными волнами кельвина и россби

и ЭНЮК по данным наблюдений и моделирования..................................193

3.1. Характеристики внутрисезонной тропической изменчивости................196

3.2. Сезонное взаимодействие между ВТИ и ЭНЮК...................................220

Глава 4. Эволюция, изменчивость и механизмы формирования

двух типов Эль-Ниньо....................................................................................242

4.1. Аномалии в системе океан-атмосфера

в период Канонического Эль-Ниньо и Эль-Ниньо Модоки............................242

4.2. Роль возмущений внутрисезонного масштаба

в формировании двух типов Эль-Ниньо...........................................................262

Глава 5. Эль-Ниньо в условиях потепления климата..............................293

5.1. Изменение повторяемости двух типов Эль-Ниньо

в условиях меняющегося климата...................................................................294

5.2. Характеристики двух типов Эль-Ниньо

в условиях глобального потепления (сценарий А2).......................................314

5.3. Оценка изменения вклада компонент ВТИ

в механизм формирования Эль-Ниньо при потеплении климата...................331

Глава 6. Дальние связи явления Эль-Ниньо - Южное колебание..........339

6.1. Вклад удаленного воздействия Эль-Ниньо

и локального взаимодействия океана-атмосферы

в формирование аномалий метеополей в тропиках........................................340

6.2. Региональные проявления удаленного воздействия

Эль-Ниньо в тропиках......................................................................................355

6.3. Отклик глобальной циркуляции на два типа Эль-Ниньо........................374

Заключение......................................................................................................407

Список литературы.........................................................................................409

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

Эль-Ниньо - Южное колебание (ЭНЮК) является наиболее ярким примером короткопериодной изменчивости климата (на межгодовых масштабах). Его социально-экономические последствия беспрецедентны (засухи, наводнения, сокращение рыбных уловов, потери урожая, увеличение числа тропических циклонов, гибель кораллов). Изучение механизмов этого природного феномена является ключом к пониманию и прогнозированию экстремальных погодных явлений, а также расширяет возможности приспособления общества к климатическим флуктуациям.

Задача прогноза столь масштабного феномена сопряжена с серьезными трудностями [The TOGA Decade, 1998]. Одной из главных проблем является нерегулярность его возникновения и изменение характеристик (амплитуды, частоты) от события к событию.

На настоящий момент существует два подхода для объяснения изменчивости явления Эль-Ниньо. В рамках первого подхода изменчивость ЭНЮК рассматривается как следствие крупномасштабных низкочастотных процессов протекающих как в океане, так и в атмосфере, таких как изменение характеристик теплосодержания океана, термохалинная циркуляция, а также постепенное изменение структуры общей циркуляции атмосферы. Изменения этих характеристик на масштабах десятилетий способны вызывать изменение среднего состояния системы океан-атмосфера, которое может благоприятствовать возникновению Эль-Ниньо или наоборот [Dewitte and Gushchina, 2010]. Однако учет только долгопериодной изменчивости не всегда позволяет объяснить формирование в тропиках условий, благоприятных для развития Эль-Ниньо. Поэтому появилась вторая группа теорий, которая базируется на предположении, что нерегулярность ЭНЮК может определяться неустойчивым взаимодействием тропического океана и атмосферы на временных масштабах значительно меньших, чем само Эль-Ниньо (с периодом от нескольких дней до сезона), так называемой внутрисезон-ной тропической изменчивостью (ВТИ). Данный подход, по сути, является одним из частных случаев теории стохастического воздействия на крупномасштабные процессы, широко используемого во многих науках, в том числе в геофизике [Hasselman, 1976; Демченко и Кислов, 2010]. ВТИ является ключевым элементом климатической системы тропического Тихого океана. С одной стороны, она может зарождаться в других районах тропиков и, таким образом играть роль удаленного внешнего воздействия

для системы тропического Тихого океана. С другой стороны, внутрисезонная изменчивость может выступать в роли хаотического воздействия на климатическую систему тропического Тихого океана, приводя к долгопериодным изменениям характеристик Эль-Ниньо (амплитуды, сезонности, повторяемости). Понимание взаимодействия между ВТИ и ЭНЮК является, таким образом, чрезвычайно актуальной задачей для мирового научного сообщества, ее решение позволит улучшить качество прогнозов атмосферных явлений в тропической зоне в широком спектре временных масштабов (от внутрисезонных до десятилетних).

Климат планеты непрерывно изменяется, что не может не сказываться на состоянии взаимодействующей системы тропический океан-атмосфера. Даже за относительно короткий период инструментальных наблюдений в тропиках Тихого океана зафиксировано увеличение температуры воды, которое, несомненно, сказалось на характеристиках явления Эль-Ниньо. Эти изменения оказались настолько существенными, что появилось предположение о существовании новой разновидности явления Эль-Ниньо, которая характеризуется аномалиями температуры поверхности океана (ТПО), локализованными в центре Тихого океана, в отличие от канонического Эль-Ниньо, развивающегося на востоке [Петросянц и др., 2005; АвИок а1., 2007; Ки§ е1 а!., 2009]. Механизмы формирования этого типа Эль-Ниньо (называемого Эль-Ниньо Модоки) на настоящий момент практически не изучены. Однако, увеличение повторяемости Эль-Ниньо Модоки в последние десятилетия позволяет поставить вопрос о взаимосвязи между модификацией ЭНЮК и глобальным потеплением климата.

Объекты исследования - явление Эль-Ниньо - Южное Колебание, компоненты атмосферной внутрисезонной тропической изменчивости: колебания Маддена-Джулиана, экваториальные конвективно-связанные волны Кельвина и Россби.

В соответствии с поставленной целью сформулированы основные задачи исследования:

• изучить характеристики внутрисезонной изменчивости (интенсивность, скорость распространения возмущений) основных метеорологических полей и оценить их воспроизведение в моделях различной степени сложности;

• выявить механизм эволюции двух типов Эль-Ниньо: канонического и Модоки, основанный на стохастическом воздействии атмосферных процессов внутрисезонного масштаба;

• по данным численного моделирования проанализировать изменения характеристик Эль-Ниньо в условиях потепления климата;

• модифицировать и адаптировать объединенную модель океана-атмосферы промежуточной степени сложности ЬООСА-С>ТСМ для исследования механизмов ЭНЮК;

• разработать метод оценки особенностей крупномасштабной циркуляции с помощью нового индекса циркуляции - циркуляции скорости ветра по кругу широты или контуру центров действия атмосферы;

• исследовать примеры удаленного отклика на аномалии, связанные с двумя типами Эль-Ниньо.

Положения, выносимые на защипу

океана весной Северного полушария и экваториальных волн Россби в центре Тихого океана летом, предшествующим кульминации Эль-Ниньо в конце года.

Механизм влияния МЮ и волн Россби на Эль-Ниньо реализуется через аномальные западные ветры, связанные с МЮ и волнами Россби, которые генерируют океаническую волну Кельвина с заглубленным термоклином. Распространяясь на восток, эта волна способствует заглублению термоклина во всем тропическом Тихом океане. В случае канонического Эль-Ниньо волна Кельвина достигает побережья Южной Америки в конце календарного года и вызывает потепление поверхностных вод за счет глубокого залегания термоклина. В случае Эль-Ниньо Модоки волна не распространяется дальше центра Тихого океана из-за наличия барьера плотности, повышение ТПО возникает за счет адвекции теплых вод и заглубления термоклина.

Аномалии ТПО и основных метеорологических полей в период двух типов Эль-Ниньо существенно различаются между собой (различия значимы на 90% уровне вероятности). В условиях Эль-Ниньо Модоки зона высокой ТПО, соответствующие ей зоны аномальных восходящих движений, осадков и конвекции смещены на запад относительно их положения в условиях канонического Эль-Ниньо.

Эль-Ниньо Модоки вызывает более интенсивный отклик в глобальной циркуляции тропических и умеренных широт, при этом характер отклика не сильно изменяется по сравнению с каноническим Эль-Ниньо. Связи с циркуляциями в центрах действия атмосферы и районах активной циклонической деятельности сильно зависят от типа Эль-Ниньо.

Разработанная модифицированная версия модели промежуточной степени сложности ЬОБСА-С^ТСМ в пределах тропической зоны сопоставима по качеству воспроизведения атмосферных полей с полными моделями общей циркуляции атмосферы и позволяет исследовать механизмы формирования Эль-Ниньо.

Научная новизна работы

Впервые выявлено, что различная скорость возникновения и исчезновения аномалий ТПО в период двух типов Эль-Ниньо определяется воздействием МГО и экваториальных конвективно-связанных волн.

Впервые обнаружено, что взаимодействие между колебаниями Маддена-Джу-лиана, экваториальными волнами Россби и аномалиями ТПО существенно различается в периоды высокой и слабой интенсивности ЭНЮК.

• для определения вклада процессов внутрисезонного масштаба в изменчивость характеристик Эль-Ниньо;

• для понимания причин апериодичности цикла ЭНЮК;

• для определения механизмов формирования двух различных типов Эль-Ниньо;

• для оценок аномалий, возникающих в океане и атмосфере при двух типах Эль-Ниньо;

• для оценки изменения явления Эль-Ниньо при потеплении климата;

• для оценок удаленного отклика в тропиках и внетропических широтах на явление ЭНЮК;

• для улучшения достоверности прогнозов Эль-Ниньо.

Личный вклад автора

Все результаты, представленные в работе, получены автором лично или в соавторстве с заведующим кафедрой метеорологии и климатологии в 1981-2005 гг, профессором М.А.Петросянцем и сотрудником лаборатории геофизики и спутниковой океанографии в Тулузе, д-ром Борисом Девиттом. Личная заслуга автора состоит в анализе характеристик ВТИ и определении их вклада в механизм формирования Эль-Ниньо, анализе распределения аномалий в океане и атмосфере в условиях канонического Эль-Ниньо и Эль-Ниньо Модоки, оценке влияния среднего состояния океана-атмосферы на повторяемость двух типов Эль-Ниньо, определении изменений характеристик Эль-Ниньо в условиях потепления климата. В соавторстве с М.А. Петросянцем разработан новый метод оценки особенностей крупномасштабной циркуляции, основанный на анализе нового индекса циркуляции. В соавторстве с д-ром Девиттом разработана объединенная модель промежуточной степени сложности ЬООСА-(ЗТСМ. Автору принадлежит включение блока ассимиляции данных наблюдений в атмосферную компоненту, проведение прогностических экспериментов и оценка прогностической способности модели, тестирование атмосферной модели С^ТСМ и проведение экспериментов на модели, о�

Информация о работе

Гущина, Дарья Юрьевна
доктора географических наук
Москва, 2014
ВАК 25.00.30

Диссертация

Модификация Эль-Ниньо в условиях меняющегося климата - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы