На основе анализа данных вековых рядов наблюдений за приповерхностной температурой и атмосферным давлением на уровне моря выполнена идентификация эффекта Эль-Ниньо в Индийском океане [1-2]. Наиболее четко данное явление зафиксировано в периоды межфазовых состояний основного муссонного сигнала в полях гидрофизических характеристик океана и гидрометеорологических параметров атмосферы, когда системы их циркуляции соответствуют квазистационарному фоновому типу. При этом установлено, что относительно небольшой по сравнению с Тихим океаном горизонтальный масштаб северной части Индийского океана может предопределять фазовое опережение перестройки его гидрофизического режима под влиянием событий Эль-Ниньо. В частности, крупномасштабное поле атмосферного давления в экваториально-тропическом поясе Индопацифики испытывает во время Эль-Ниньо существенную деформацию со всеми сопутствующими погодными и климатическими последствиями.
Разнонаправленные зональные градиенты возникающих аномалий давления в соответствующей широтной полосе указывают на изменение знака существующих здесь двух смежных ячеек атмосферной зональной циркуляции Уокера с наступлением Эль-Ниньо на противоположный. Наклоны уровня океана вдоль экватора в Индийском океане и Тихом океанах приобретают противоположные по сравнению с нормой знаки. Поле температуры поверхности океана (ТПО), также как уровень, претерпевает заметные структурные изменения. Между колебаниями этих характеристик повсеместно наблюдается определенное качественное соответствие. Спад уровня сопровождается понижением ТПО и наоборот, повышение температуры сопутствует росту уровня. В общем случае в экваториальной области Индийского океана реакция ТПО на Эль-Ниньо проявляется в виде заметного ее повышения (в среднем более 0.5 градуса С) в западном направлении. Квазисинхронное изменение полярности зеркально-симметричных океанских диполей ТПО в Тихом и Индийском океанах можно считать определенным свидетельством общности механизма крупномасштабного термодинамического процесса Эль-Ниньо в целом для всей экваториально-тропической зоны Индопацифики.
Основная трудность идентификации сигнала Эль-Ниньо в тропической области Индийского океана заключается в том, что возбуждаемое им возмущение атмосферной циркуляции происходит на фоне сильного регулярного муссонного сигнала, обладающего годовой цикличностью. Вследствие такой суперпозиции вынуждающих сил вклад сигнала Эль-Ниньо в суммарную энергию циркуляции атмосферы, как более слабый по сравнению с муссонным, может переходить в область "белого шума", где обнаружить его весьма трудно. Полученные ранее результаты исследования особенностей муссонной изменчивости системы поверхностной циркуляции в северо-западной части бассейна [3-4] свидетельствуют о преодолении нами указанной трудности (Рис. 1).
Рис. 1. Спектры ТПО в регионе 5ºс.ш.-5ºю.ш., 170º-120ºз.д. (Niño 3.4) за 1900-2008 гг. Спектр до удаления регулярного сезонного хода обозначен прерывистой линией, сплошной – после. Пунктирной линией выделены пики 5 лет и 3,6 года, относящиеся к Эль-Ниньо. Слева внизу приведён 80% доверительный интервал.
В "чистом" виде эффект Эль-Ниньо в Индийском океане можно обнаружить в полях гидрометеорологических характеристик в периоды межфазовых состояний муссонной циркуляции, когда основное муссонное возмущение в гидрофизических полях океана и атмосферы практически отсутствует, и их динамические системы соответствуют квазистационарному, фоновому типу. При этом небольшой, по сравнению с Тихим океаном, пространственный масштаб северной части Индийского океана может предопределять фазовое опережение перестройки его гидрофизического режима под влиянием событий Эль-Ниньо.
Результаты анализа глобальных полей основных гидрометеорологических характеристик за все время их инструментальных наблюдений (1900-2008 гг.) показали, что крупномасштабное поле атмосферного давления в экваториально-тропическом поясе Индопацифики во время Эль-Ниньо испытывает заметную деформацию (Рис. 2). Для Атлантического, Индийского и западной части Тихого океанов характерно увеличение давления (положительная аномалия), в последнем случае с экстремальными его значениями в области планетарной атмосферной конвекции, расположенной в Индонезийском регионе. Одновременно с этим над восточной частью Тихого океана наблюдается повсеместное понижение давления, что в первую очередь должно проявляться в спаде активности Южного субтропического антициклона - важного центра действия атмосферы в южном полушарии. Следствием данного фактора является известное затухание юго-восточного пассата в период Эль-Ниньо, способствующее возникновению восточного переноса на экваторе. Разнонаправленные зональные градиенты аномалий давления в экваториальной зоне Тихого и Индийского океанов указывают на то, что существующие здесь две смежные ячейки зональной атмосферной циркуляции с наступлением Эль-Ниньо изменяют свой знак на противоположный. В межмуссонный период рельеф уровня поверхности Тихого и Индийского океанов при отсутствии Эль-Ниньо характеризуется подъемом в области их сопредельной границы, проходящей через район архипелага Индонезийских островов. В тоже время на противоположных меридиональных границах океанов отмечается понижение уровня с экстремумами, соответственно в Чилийско-Перуанском и Сомалийском регионах. В качестве ситуации, соответствующей фоновой, принят осредненный за 1982-2004 гг. рельеф уровня поверхности океана в ноябре. При Эль-Ниньо наклоны уровня вдоль экватора в Индийском и Тихом океанах имеют противоположные, по сравнению с нормой, или фоновой ситуацией, знаки. В восточной части Индийского океана, вблизи о. Суматра, в этот период развивается интенсивный апвеллинг, приводящий к существенному понижению температуры поверхностных вод. Во время Эль-Ниньо 1997-1998 гг., когда указанные характерные возмущения уровня проявились в наибольшей степени, область его пониженных значений охватывала в Индийском океане всю восточную половину экваториальной зоны. Трансокеанский перепад уровня составил тогда около 50 см, что существенным образом должно было сказаться на структуре циркуляции вод в экваториальной зоне.
Рис. 2. Возмущение полей атмосферного давления на уровне моря и геострофического ветра в нижней тропосфере при Эль-Ниньо (разности между Эль-Ниньо и Ла-Ниньа). Использованы ансамбли событий за 1900-2008 гг.: 12 эпизодов Эль-Ниньо и 12 эпизодов Ла-Ниньа.
Поле температуры поверхности океана (ТПО) во время Эль-Ниньо так же, как и уровень, претерпевает заметные структурные изменения (Рис. 3). Причем, между колебаниями этих характеристик повсеместно наблюдается определенное качественное соответствие, а именно – спад уровня сопровождается понижением ТПО и наоборот, повышение температуры всегда сопутствует росту уровня. Известно, что существующая в экваториальной зоне Тихого океана ярко выраженная дипольная структура поля ТПО изменяет знак своей полярности в периоды Эль-Ниньо, в результате чего аномалии этой характеристики на противоположных участках указанной зоны также изменяют свои знаки. Это подтверждено полученными в нашей работе результатами композиционного анализа поля ТПО за период 1900-2008 гг., аналогично тому, что сделано для поля давления.
Рис. 3. Возмущение поля приповерхностной температуры при Эль-Ниньо (разности между Эль-Ниньо и Ла-Ниньа). Использованы ансамбли событий за 1900-2008 гг.: 12 эпизодов Эль-Ниньо и 12 эпизодов Ла-Ниньа.
В экваториальной области Индийского океана реакция ТПО на Эль-Ниньо проявляется в виде заметного ее повышения (более 0,5 град С) в западном направлении. В качестве ситуации, соответствующей фоновой, принята ТПО для ноября, осредненная за 1982-2004 гг. Во время Эль-Ниньо 1997-1998 гг. обнаружено, что сомалийская отрицательная аномалия ТПО исчезла, уступив место более теплым водам, а в районе западного побережья Суматры, где обычно в это время года поверхностная вода имеет повышенную температуру, развился крупномасштабный апвеллинг, в котором холодная глубинная вода поднялась к поверхности. Еще раз подчеркнем, что ярко выраженная аномальная дипольная структура ТПО в Индийском океане наблюдается именно в осеннюю переходную фазу муссонного цикла, когда эффекты, обусловленные муссонами, как в атмосфере, так и в океане существенно ослаблены и не вуалируют эффект Эль-Ниньо. Таким образом, квазисинхронное изменение полярности обоих зеркальных диполей ТПО в экваториально-тропической зоне двух океанов можно считать определенным свидетельством общности механизма крупномасштабного термодинамического процесса Эль-Ниньо для всей Индопацифики в целом.
В годы без Эль-Ниньо среднее поле ветра в октябре-ноябре на экваторе в нижней тропосфере характеризуется преобладающей восточной составляющей вектора скорости в Тихом и западной в Индийском океанах. В верхней тропосфере соответствующие зональные компоненты скорости ветра имеют противоположные направления. Такую структуру движения воздушных масс в экваториальной области Тихого океана принято называть естественной циркуляцией Уокера. В Индийском океане такая циркуляционная ячейка также существует с тем лишь отличием, что движение в ее вертикальной плоскости совершается в противоположном направлении. Анализ рассчитанных в нашей работе ветровых полей на нижней границе тропосферы показал, что во время Эль-Ниньо региональные циркуляции Уокера изменяют свое направление на обратное. Так, в октябре-ноябре 1997 г. над Индийским океаном в отличие от нормы господствовали ветры восточных румбов с аномалиями до - 12 м/сек, а над Тихим – западные ветры с аномалиями до + 9 м/сек. В верхней тропосфере также прослежено изменение направления ветра на обратное.
Для проверки гипотезы о связи Индийского муссона с Эль-Ниньо выполнен соответствующий взаимный спектральный анализ крупномасштабных дипольных структур (Рис. 4). Анализ включал в себя оценку взаимосвязи возмущений атмосферного давления и приповерхностной температуры в экваториальной зоне Индийского и Тихого океанов; исследование взаимозависимости зональных градиентов атмосферного давления в этих областях; оценку характера изменений зональных разностей приповерхностной температуры вдоль экватора в регионе Индопацифики. Результаты этих расчетов показали, что на межгодовых временных масштабах (1-10 лет) между полями приповерхностной температуры и давления на уровне моря имеется тесная связь. Кроме того, такая же связь прослеживается между другими гидрометеорологическими характеристиками двух океанов. Характер этой связи указывает на зеркальную симметрию развивающихся в них климатических процессов. Связующим звеном для этих процессов является область планетарной атмосферной конвекции на общей границе океанов. Значительным возмущающим для климатической системы фактором на межгодовом масштабе выступают квазициклические явления Эль-Ниньо, которые сопровождаются квазисинхронным реверсом циркуляционных ячеек Уокера и изменением полярности дипольных структур в полях гидрофизических характеристик Тихого и Индийского океанов.
а давление б температура
в давление д температура
Рис. 4. Спектральные (а, б) и взаимные спектральные (в, г) функции зональных разностей атмосферного давления на уровне моря и приповерхностной температуры в Индийском и Тихом океанах на экваторе (10ºс.ш.-10ºю.ш.) за период 1900-2008 гг. Индийский океан (сплошная линия): разность между 50º-60ºв.д. и 90º-100ºв.д. Тихий океан (пунктирная): разность между 120º-130ºв.д. и 90º-80ºз.д. Когерентность – сплошная линия, фазовые соотношения – пунктирная.
Выполненное исследование изменчивости глобальных полей атмосферного давления на уровне моря и приповерхностной температуры при Эль-Ниньо позволило сформулировать основы физико-эмпирической модели этого явления. Есть основания полагать, что, рассматривая природу этого явления, мы имеем дело с планетарными атмосферными приливами, обусловленными внутренними термодинамическими процессами в климатической системе. При этом перестройка атмосферной циркуляции, связанная с перераспределением давления, сопровождается возмущением всех основных гидрофизических параметров системы, включая приповерхностную температуру. Важные события при эпизодах Эль-Ниньо происходят в экваториальном поясе Земли. Полученное в работе распределение вдоль экватора дисперсии возмущений атмосферного давления позволило связать положение ее максимумов с фоновыми и нестационарными очагами атмосферной конвекции, а также с нисходящими и восходящими ветвями циркуляции Уокера, изменяющей знак своего обращения при Эль-Ниньо. В это время атмосферное давление на уровне моря повышается в экваториально-тропическом поясе над Индийским океаном, Африкой, Атлантикой, областью планетарной конвекции в Индонезийском регионе, но одновременно оно понижается над восточной частью Тихого океана. В соответствии с оцененными в работе возникающими горизонтальными градиентами давления на экваторе в нижней тропосфере (уровень 850 гПа) формируются ветры западных румбов в Тихом океане и восточных в Индийском, а вместе с ними соответствующие течения и переносы поверхностных океанских вод. В верхней тропосфере (уровень 200 гПа) в этот период характерный для нормы западный перенос в Тихом и восточный в Индийском изменяют свои знаки, свидетельствуя, что соответствующие ячейки циркуляций Уокера реверсируют. Таким образом, процессы восходящей вертикальной конвекции в этих циркуляциях при Эль-Ниньо затухают, сменяясь областями нисходящих движений, что приводит к изменению всех гидрометеорологических характеристик нижних слоях атмосферы и гидрофизических показателей верхнего слоя океана.
Формулируя принципиально новый результат исследования можно заключить, что основной эффект Эль-Ниньо проявляется в экваториально-тропической зоне Тихого и Индийского океана согласованно в виде квазисинхронной смены полярности крупномасштабных зеркальных океанских диполей в полях всех известных гидрометеорологических и гидрофизических характеристик. Установлено, что в отношении Эль-Ниньо вся экваториально-тропическая область Индопацифики выступает как единый природный объект, являющий элементом общей региональной климатической подсистемы. Это заключение основано на выявленной в работе принципиальной идентичности и квазисинхронности проявления феномена Эль-Ниньо в Тихом и Индийском океанах: перемене полярности в их зональных гидрофизических диполях и в смене знака атмосферных циркуляций в соответствующих ячейках Уокера.
Уникальность результатов исследования заключается в выделении эффекта Эль-Ниньо в Индоокеанском регионе на фоне муссонного сигнала путем целенаправленного выбора временного интервала в рядах исходных данных, соответствующего фоновой, "межмуссонной" фазе циркуляции атмосферы и океана. На основе этого подхода впервые удалось оценить "чистый" эффект Эль-Ниньо и определить влияние, которое он оказывает на гидрофизический режим северной части Индийского океана в каждую фазу муссонного цикла его внутригодовой изменчивости. Так, при анализе, к примеру, летней фазы циркуляции атмосферы и океана в тропической зоне Индоокеанского региона видно, что для нее характерны восточный перенос на экваторе, мощный подъем вод в районе Сомалийского побережья Африки, положительная аномалия ТПО в районе Суматры и др. Наши исследования показали, что все эти факторы находятся в противофазе по отношению к соответствующим проявлениям эффекта Эль-Ниньо в Индийском океане. Следовательно, в период летнего Индийского муссона этот эффект приводит к ослаблению восточного экваториального переноса в океане и атмосфере, повышению температуры воды в районе сомалийского апвеллинга и понижению ТПО на востоке акватории со всеми вытекающими отсюда гидрометеорологическими последствиями. Исследование особенностей взаимосвязи Индийского муссона и Эль-Ниньо за периоды 1950-1974 гг. и 1975-2008 гг. показало, что известная внезапная перестройка в глобальном поле атмосферного давления в середине 1970-х годов привела к качественным изменениям региональной циркуляции атмосферы во время событий Эль-Ниньо (Рис. 5). В первый период устойчивая аномалия в виде антициклонического образования на севере Аравийского моря и устойчивого циклона на севере Бенгальского залива при Эль-Ниньо блокировали юго-западный перенос на Индостан влажных воздушных масс из океана. Во втором из названных выше отрезков времени, после отмеченной глобальной перестройки поля атмосферного давления локальные барические аномалии в северной части Индийского океана ослабли и изменили свое местоположение, что способствовало определенному восстановлению нормального муссонного цикла атмосферной циркуляции в регионе.
Рис. 5. Поля разности аномалий атмосферного давления на уровне моря (гПа) и геострофического ветра в нижней тропосфере (м/сек) для летнего муссона (июнь-сентябрь) при Эль-Ниньо между периодами 1975-2008 и 1950-1974 гг.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 09-05-00867-а, а также Федеральной Целевой Программой «Мировой океан» (Государственный контракт 01.420.1.20001).
Литература
- Бышев В.И., Нейман В.Г., Романов Ю.А., Серых И.В. О пространственной неоднородности некоторых параметров глобальной изменчивости современного климата. Доклады РАН. 2009. Т. 426. № 4. С. 543-548.
- Бышев В.И., Иванов Ю.А., Нейман В.Г., Романов Ю.А., Серых И.В., Скляров В.Е., Щербинин А.Д. О проявлении эффекта Эль-Ниньо в Индийском океане. Доклады РАН. 2008. Т. 419. №3. С. 391-396.
- Бышев В.И., Нейман В.Г., Серых И.В., Щербинин А.Д. О роли муссонного фактора в изменчивости течений Индийского океана. Метеорология и гидрология. 2007. № 3. С. 54-68.
- Бышев В.И., Нейман В.Г., Серых И.В., Щербинин А.Д. Новые данные о системе течений в Сомалийском районе Индийского океана. Доклады РАН. 2006. Т.409. № 2. С. 250-255.
