О закономерностях формирования явления Эль-Ниньо – Ла-Ниньа

А.Л. Бондаренко, И.В. Серых
Опубликовано на Meteoweb.ru 03-07-2010

Существуют различные гипотезы формирования явления Эль-Ниньо – Ла-Ниньа[2-9]. По одной из них [2, 3] оно образуется океаническими экваториальными волнами Россби Тихого океана. На наш взгляд эта гипотеза наиболее состоятельна, поскольку обоснована обобщением различной натурной информации. В последние годы авторами статьи проведен анализ большого объёма данных о температуре поверхности океана, атмосферном давлении, ветре, полученных с помощью измерений из космоса, и дополнительно подтверждающих состоятельность этой гипотезы. Мы расскажем о волнах Россби и, используя космическую информацию, покажем, как они формируют Эль-Ниньо – Ла-Ниньа.

В Мировом океане существуют мощнейшие гидродинамические образования, получившие название волн Россби. Они формируют движения вод океана в горизонтальном и вертикальном направлениях, оказывая существенное влияние на температурный режим океана. Потоки тепла между океаном и атмосферой активно участвуют в формировании термодинамики атмосферы, следовательно, погоды и климата Земли. Вертикальные движения вод океана формируют известные, определяющие погоду и климат, явления, такие как апвеллинг - даунвеллинг, циклоны, тайфуны, торнадо и Эль-Ниньо – Ла-Ниньа [2-5].

Единое глобальное явление Эль-Ниньо – Ла-Ниньа существует в восточном и центральном регионах экваториального Тихого океана и вод, прилегающих к Южной Америке в районе Эквадора, Перу и частично Чили, а отдельно Эль-Ниньо и Ла-Ниньа – крайние стадии его развития. Состояние природы, когда вода, обычно холодная (~ 25°C), начинает нагреваться (до 30°С), принято называть Эль-Ниньо. Когда же температура морской воды падает (до 20°С) принято называть Ла-Нинья (рис.1а, б, в).

В исследованиях использована информация о течениях и температуре, полученная по программе ТАО с 1983 по 2009 гг. на Экваторе в пунктах: I (140° з. д.), II (110° з.д.), а также о температуре океана, атмосферном давлении и ветре. Особое внимание уделено исследованию полей гидрофизических характеристик, полученных благодаря спутниковым данным программы TOPEX/POSEIDON (рис. 1).

Рис. 1 а,б,в. Средняя температура воды (°C) экваториальной области Тихого океана на глубине 15 м. за период 01.01.1993 - 31.12.2009 (а) и аномалии температуры во время Эль-Ниньо декабрь 1997 г. (б) и Ла-Ниньа декабрь 1998 г. (в) [http://ecco.jpl.nasa.gov/].

Для понимания механизма формирования явления Эль-Ниньо — Ла-Ниньа, необходимо дать некоторые пояснения.

Крупномасштабные течения и волны Россби экваториальной зоны Тихого океана. Крупномасштабные течения экваториальной зоны Тихого океана направлены вдоль Экватора. Их можно представить двумя системами течений: постоянным – 1 и переменным – 2, 3 (рис. 2). Направление переменного течения меняется: полгода оно западное, полгода – восточное. Представления о характере изменения их скорости с глубиной можно получить из графика (рис. 2). Постоянное течение, максимальные скорости течений которого составляют ~1 м/c, наблюдаются на горизонте 80 м, оно направлено на восток и имеет название течение Кромвеля. Аналогичные течения, приблизительно с такими же скоростями, существуют в Атлантическом (течение Ломоносова) и Индийском (течение Тареева) океанах.

Рис. 2. Скорости течений в пункте I (140° з.д.) на Экваторе: среднее многолетнее течение (1), переменное течение на восток (2), на запад (3) [3].

Большие скорости течений наблюдаются только в узкой, до 2° к северу и югу приэкваториальной зоне океана, за её пределами они малы. В течение года меняются скорость и направление течений (так называемая годовая изменчивость). У поверхности океана скорости переменных течений достигают ~70 см/c в восточном и в западном направлениях [3]. Среднемноголетний расход воды течений преобладает на востоке. Скорее всего, этим и объясняется то, что термоклин на востоке океана находится ближе к поверхности, чем на западе. Это же объясняет и то, что явление Эль-Ниньо – Ла-Ниньа наблюдаются в центральной и восточной частях океана.

Волны Россби экваториальной зоны Тихого океана составляют часть взаимосвязанного поля свободных, прогрессивных, распространяющихся в пространстве в горизонтальном направлении волн всего Мирового океана. Движение частиц воды в волнах и волновой перенос (Стоксов, Лагранжев) это, фактически, волновые течения. Их скорости (эквивалент энергии) изменяются во времени и пространстве. По итогам исследований [1, 4] скорость течения равна амплитуде колебания скорости течения волн, фактически – максимальной скорости в волне. Поэтому наибольшие скорости волновых течений наблюдаются в областях сильных крупномасштабных течений: западных пограничных и экваториальных.

Рис. 3 а,б. Линии токов волн Россби в узкой приэкваториальной зоне (2° – 3° от Экватора на север и юг) в виде эллипсов со стрелками (вектор волновых течений) и её окружение. Сверху – вид по вертикальному сечению вдоль Экватора (А), снизу – вид сверху на течение. Голубым и синим цветом выделена область подъёма на поверхность холодных глубинных вод, а желтым – область опускания на глубину теплых поверхностных вод [4].

В соответствии с исследованиями [2, 3] линии токов течений волн Россби в узкой приэкваториальной зоне (2° – 3° от Экватора на север и юг) и её окружении схематически можно представить в виде линий токов диполя, (рис. 3). Напомним, что линии токов указывают на мгновенное направление векторов течений, или, что одно и то же, направление силы, создающей течения, скорость которых пропорциональна плотности линий токов. На рис. 3 видно, что у поверхности океана в экваториальной зоне плотность линий токов гораздо больше, чем за его пределами, следовательно, и скорости течений больше. Движения частиц воды волн в поверхностном слое образуют поверхностное приэкваториальное течение, в глубинном слое – глубинное противотечение, подъём и опускание частиц воды в волнах – апвеллинг и даунвеллинг. Вертикальные скорости течений в волнах невелики, они составляют приблизительно тысячную часть горизонтальной скорости течения. Если учесть, что горизонтальная скорость на Экваторе достигает 1 м/с, то вертикальная равна приблизительно 1 мм/с. При этом, если длина волны равна 1 тыс. км, то область подъёма и опускания волны составит 500 км.

Последовательность волн, как во времени, так и в пространстве, представляет собой непрерывный ряд сформированных в модуляции (группы, цуги, биения) малых - больших - малых и т.д. волн. Их свойство приобретать модуляционное строение присуще многим типам волн и играет важную роль в динамике вод океана. Однако механизм его до сих пор не изучен. Предположительно, построение волн в модуляции связано с неким взаимодействием волн с различными периодами. Назовем его модуляционным механизмом. Пока не существует доказательств того, как и почему волны выстраиваются в модуляции, почему иногда они четкие, иногда – нечеткие, почему имеют определенный период и иногда разрушаются.

Параметры волн Россби экваториальной зоны Тихого океана определены по измерениям течений в пункте I эксперимента ТАО, образец которых представлен на рис. 4 а и температурным полям, образцы которых изображены на рис. 1б, в. Период волн легко определить графически по рис. 4 а, он приблизительно равен 17-19 суткам.

Рис. 4 а,б. Меридиональная составляющая скорости течения, V (а) и температура воды (б) в пункте на Экваторе (140° з.д.) на горизонте 10 м за период 1995-1998 гг.

Волны у Экватора заметно модулируют. При неизменной фазе в модуляциях укладывается примерно 18 волн, что по времени соответствует одному году. На Рис. 4а такие модуляции чётко выражены, их три: в 1995, 1996 и в 1998 гг. В экваториальной зоне Тихого океана укладывается десять волн, т.е. почти половина модуляции. Порой модуляции имеют стройный квазигармонический характер. Это состояние можно рассматривать как типичное для экваториальной зоны Тихого океана. Когда-то они выражены нечетко, а иногда волны разрушаются и превращаются в образования с чередованием больших и малых волн или волны в целом становятся малыми. Такое наблюдалось, например, с начала 1997 г. и до средины 1998 г. во время сильного Эль-Ниньо, после которого наступило сильное Ла-Ниньа: температура воды опустилась до 20°С, временами до 18°C. Подобные по силе Эль-Ниньо за весь срок наблюдений с 1983 г. по настоящее время происходили дважды: в 1982-1983 гг. и, как мы отмечали, в 1997-1998 гг, сильные Ла-Ниньа наблюдались трижды: в 1983, 1988 и 1998 гг.

Возможно, в механизме создания модуляций участвуют колебания системы Земля - Океан - Атмосфера, которые проявляются в свободных нутационных движениях полюсов с таким же приблизительно периодом, как и период модуляций - около года. Исследования Н.С. Сидоренкова [10] показывают, что явления Южное колебание атмосферы и Эль-Ниньо — Ла-Ниньа корреляционно связаны с нутациями Земли. Остальные параметры волн можно определить по температурным полям. На фоне общей аномалии холодной воды, расположенной преимущественно в южной части Тихого океана, вдоль Экватора выделяются аномалии в диаметре 500-700 км более холодной воды, создаваемые волнами Россби, механизмы их формирования изложены выше (см. рис. 3б). Синим цветом выделены области подъёма холодной воды, жёлтым – опускания тёплой (рис. 1в). По этим аномалиям холодной воды можно определить параметры волны. По длине экватора в зоне Тихого океана, что соответствует приблизительно 90° долготы и 10 тыс. км, укладывается приблизительно 10 волн. Таким образом длина одной из них будет равна приблизительно 1000 км. По схемам полей за различное время можно определить скорость движения аномалии, которая равна скорости волны, и рассчитать её период. Применительно к рассматриваемым условиям фазовая скорость волны 50 см/с.

Формирование явления Эль-Ниньо – Ла-Ниньа. В формировании Эль-Ниньо — Ла-Ниньа участвуют крупномасштабные экваториальные поверхностные течения, подповерхностное противотечение и, связанные с ними (физически и корреляционно), волны Россби. Поверхностные течения и подповерхностные противотечения создают наклон термоклина: на западе океана он опущен на глубину ~150 м, а на востоке приподнят близко к поверхности океана, до глубины ~ 20 м. Такая ситуация преобладает в среднегодовом и многолетнем изменении. Но крупномасштабные поверхностные течения, как отмечалось ранее, обычно с периодичностью в год изменяются по скорости в направлении Восток - Запад - Восток и т.д., и в такт с этими изменениями термоклин меняет свое положение по вертикали. Если поверхностное течение западное, то термоклин в восточной части океана опускается. Этому соответствуют волны Россби с большими амплитудами колебания скорости течения. Если поверхностное течение восточное, то термоклин поднимается, и этой ситуации соответствуют волны Россби с малыми амплитудами колебания скорости течения. Под действием волн, воды около экватора попеременно будут опускаться и подниматься с периодичностью волн, равной ~ 17-19 суткам. В результате глубинные холодные и теплые поверхностные воды перемешиваются, и в целом на поверхности океана у Экватора окажется более холодная вода, чем в удалении от него. Интенсивность смешивания вод по вертикали зависит от таких параметров волны, как ее период и амплитуда колебания скорости ее течения. Температура воды у поверхности океана - Т зависит от разности количества тепла, поступившего из атмосферы и глубин океана. Количество тепла, поступившее из глубин океана, зависит от осредненной за некоторое время величины амплитуды колебания скорости течений волн Россби, s – среднее квадратическое отклонение амплитуды колебаний скорости течения V₀, зависящее от продолжительности действия этих волн, их частоты 1/t (t– период волны) и обратной величины расстояния от поверхности океана до термоклина — 1/H. Если допустить, что в среднем поток тепла из атмосферы не меняется во времени, то изложенные связи для фиксированного места области развития Эль-Ниньо — Ла-Ниньа можно записать условно в такой форме:

Учитывая, что s и U взаимосвязаны и глубина термоклина зависит от U, то для постоянной частоты волн 1/t это соотношение в фиксированной точке можно записать так: T = K₁s, где K₁ — постоянная величина, определяемая экспериментально. На рис. 5 представлены результаты проверки изложенного объяснения формирования Эль-Ниньо — Ла-Ниньа и определения зависимости температуры поверхности воды от амплитуды колебания скорости течения волн Россби. Эта связь хорошо заметна при визуальном рассмотрении поведения параметров волн Россби (рис. 5).

Рис. 5. Характеристики скорости течений и температуры у поверхности океана на Экваторе в пункте 140°з.д. Меридиональная составляющая скорости течений (фактически течений волн Россби), измеренных на горизонте 25 м (вверху), среднеквадратическая за полгода величина этих течений волн Россби (в середине), температура поверхности океана (внизу). Римскими и арабскими цифрами отмечены моменты времени. Пояснения в тексте [3, 4].

Так, моментам 1 - 7 соответствует низкая температура воды ~24°C (нижний график) и четкие модуляции с волнами Россби с большой амплитудой колебаний скорости течения (например, верхняя кривая, модуляция 1 - 3). Такое состояние среды наблюдается при Эль-Ниньо. В это время крупномасштабные течения направлены на запад и их скорости достигают максимальных значений. Моментам I - V соответствует слабое Эль-Ниньо, при этом средняя температура поверхности воды ~27°C и волновые колебания в модуляциях непродолжительное время имеют малые амплитуды. Тогда крупномасштабное течение направлено на восток и его скорости максимальны. Моментам VI - VIII соответствует сильное Эль-Ниньо, высокая температура воды ~29°С и волновые колебания течений с малыми амплитудами продолжительное время и малыми скоростями крупномасштабных течений. Такая ситуация наблюдается, например, между моментами времени 4-5 (верхний график) и моментами 6-7. Таким образом, температура на поверхности океана, являющаяся показателем развития Эль-Ниньо — Ла-Ниньа, зависит от амплитуды колебания скорости течения волн Россби и, естественно, от параметров связанных с ними крупномасштабных течений. В периоды Ла-Ниньа биологическая продуктивность океана увеличивается, но не только за счет понижения температуры воды, а, в первую очередь, за счет интенсификации её вертикальных движений. В периоды Эль-Ниньо вертикальные движения воды ослабевают, что и приводит к уменьшению биологической продуктивности океана, в том числе гибели рыбы. Явления, аналогичные Эль-Ниньо — Ла-Ниньа Тихого океана, наблюдаются и в Атлантическом, и в Индийском океанах, но в менее значительных масштабах.

Зависимость температуры поверхности океана от волн Россби наглядно подтверждается графиком (рис. 6). Высокий коэффициент корреляции (0,88) указывает на то, что изменения температуры поверхности океана существенно зависят от параметров волн Россби, а прочие факторы не оказывают на них существенного влияния.

Рис. 6. Связь среднеквадратической (за половину года) величины скорости течений волн Россби с температурой поверхности океана на Экваторе (140°з.д.), коэффициент корреляции 0,88 [4].

Подведём итоги. В развитии явления Эль-Ниньо — Ла-Ниньа активно участвуют волны Россби и крупномасштабные течения в режиме одновременной их взаимосвязи. Крупномасштабные течения обуславливают положение термоклина, удаляя его от поверхности океана или приближая к нему. Волны Россби создают переменно направленную циркуляцию вод в вертикальной плоскости вдоль Экватора. В результате этого происходит перемешивание по вертикали холодных глубинных вод с более теплыми поверхностными и, как следствие, на поверхности экваториальной зоны океана оказывается более холодная вода, чем за ее пределами к северу и югу. Фактически механизм формирования положительных и отрицательных аномалий ТПО характерных для Эль-Ниньо и Ла-Ниньа — это апвеллинг-даунвеллинг, обусловленный активностью волн Россби и связанных с ними крупномасштабных течений, который развивается в обширной центральной и восточной приэкваториальной зоне Тихого океана.

В этом едином явлении (волны-течения) изменчивость во времени и пространстве их параметров обусловлена действием некоего модуляционного механизма перестройки волн, в результате активности которого волны Россби выстраиваются в последовательность волн чередующихся амплитуд, с малыми – большими – малыми амплитудами. Они приобретают модуляционную структуру с периодом в один год. Иногда эти модуляции разрушаются и превращаются в последовательность волн с хаотически изменяющимися и, в целом, малыми по величине амплитудами. Пропорционально и в такт с величиной амплитуды колебаний скорости течений волн Россби изменяется скорость и направление крупномасштабных течений и, соответственно, стадия развития Эль-Ниньо — Ла-Ниньа. В периоды, когда волны выстраиваются в чёткие модуляции, развивается Ла-Ниньа, при уменьшении волн в модуляциях развивается слабое Эль-Ниньо, а при разрушении модуляций — сильное. Таким образом, непосредственная причина развития явления Эль-Ниньо — Ла-Ниньа — механизм перестройки волн Россби и связанных с ними крупномасштабных течений.

Для дальнейшего познания феномена Эль-Ниньо — Ла-Ниньа необходимо глубже изучить механизмы формирования волн Россби и крупномасштабных течений, их взаимные связи, а также закономерности построения волн Россби в модуляции и их разрушения.

Литература

1. Бондаренко А.Л., Жмур В.В., Филиппов Ю.Г., Щевьев В.А. О переносе масс воды морскими и океанскими долгопериодными волнами // Морской гидрофизический журнал. Севастополь. 2004. №5. С.24—34.
2. Бондаренко А.Л., Жмур В.В. О природе и возможности прогнозирования явления Эль-Ниньо - Ла-Ниньа // Метеорология и гидрология. 2004. № 11. С.39-49.
3. Бондаренко А.Л. Эль-Ниньо – Ла-Ниньа: механизм формирования// Природа. №5. 2006. С. 39 – 47.
4. Бондаренко А.Л., Жмур В.В. Настоящее и будущее Гольфстрима// Природа. 2007. № 7. С. 29 – 37.
5. Бондаренко А.Л., Борисов Е.В., Жмур В.В. О длинноволновой природе морских и океанских течений//Метеорология и гидрология.2008.№1.С.72– 79.
6. Гущина Д.Ю., Девитт Б., Петросянц М.А. Объединённая модель атмосферы и тропического Тихого океана. Прогноз явления Эль-Ниньо - Южное Колебание 1997-1998гг//Известия АН. Физика атмосферы и океана. 2000. Т.36. N0 5. c.581-604.
7. Нелепо А.Б., Калашников З.Р., Хунджуа Г.Г. Энергетика взаимодействия между океаном и атмосферой в зоне действия феномена Эль-Ниньо// III конференция "Физические проблемы экологии" Москва. Московский Государственный университет. 2002.№ 10.c.118-123.
8. Мохов И.И., Елисеев А.В., Хворостьянов Д.В. Эволюция характеристик межгодовой климатической изменчивости, связанной с явлением Эль-Ниньо/Ла-Ниньа //Известия АН. Физика атмосферы и океана. 2000. Т.36. № 6. c.741-751.
9. Сидоренков Н.С. Межгодовые колебания системы Атмосфера—Океан—Земля // Природа. 1999. №7.с.26 — 34.

Сведения об авторах.

Альберт Леонидович Бондаренко, океанолог, доктор географических наук, ведущий научный сотрудник Института водных проблем РАН. Область научных интересов: динамика вод Мирового океана, взаимодействие океана и атмосферы. Достижения: доказательство существенного влияния океанических волн Россби на формирование термодинамики океана и атмосферы, погоды и климата Земли.
albert-bond@mail.ru

Илья Викторович Серых, океанолог, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН. Область научных интересов: Индийский океан, Эль-Ниньо, муссон, климатическая изменчивость.
iserykh@gmail.com

Назад в раздел