Альберт Леонидович Бондаренко
Крупномасштабные течения
и долгопериодные волны
Мирового океана
Глава XII
Закономерности формирования явления Эль-Ниньо – Ла-Нинья
В Мировом океане существуют мощнейшие гидродинамические образования, получившие название волн Россби. В основном они формируют движения вод океана в горизонтальном и вертикальном направлениях, оказывая существенное влияние на температурный режим вод океана. Горизонтальные движения участвуют в создании океанских течений, среди которых всем известные Гольфстрим, Куросио, мощные экваториальные течения. Вертикальные движения вод формируют температурный режим океана и его поверхности. Потоки тепла между океаном и атмосферой активно участвуют в формировании термодинамики атмосферы, а отсюда погоды и климата Земли. В частности вертикальные движения вод океана формируют такие известные, определяющие погоду и климат, явления, как апвеллинг - даунвеллинг, циклоны, тайфуны, торнадо, Эль-Ниньо – Ла-Нинья[Бондаренко, Жмур, 2004, 2005, 2007в, Бондаренко, 2006, Бондаренко, Серых, 2011, Bondarenko, Zhmur, 2004].
Несколько десятилетий назад в мировую научную литературу вошли испанские слова Эль-Ниньо и Ла-Нинья, означающие младенца соответственно мужского и женского пола. Состояние природы, когда вода, обычно холодная в прибрежной и восточной части экваториальной зоны Тихого океана, начинала нагреваться и гибли рыбы, другие морские обитатели, птицы и др., начинались обильные ливни, наводнения, штормы на море, жители Южной Америки называли Эль-Ниньо (оно могло продолжаться более года). Когда же температура морской воды падала, погода и экологические условия вновь становились благоприятными, а продуктивность океана и суши, пострадавших от Эль-Ниньо, восстанавливались, наступало Ла-Нинья. Со второй половины XX в. изучением этих природных состояний активно занялись специалисты, и представление о них расширилось. Эль-Ниньо — это глобальное явление, при котором температура поверхностного слоя воды восточной половины экваториального Тихого океана и вод, прилегающих к Южной Америке в районе Эквадора, Перу и частично Чили, повышается на 4—5°С относительно среднего значения 25°С. При явлении Ла-Нинья в этом слое температура приблизительно на такую же величину падает (рис.52а, б, в).
Выяснилось также, что оба состояния — единое явление, а Эль-Ниньо и Ла-Нинья — лишь крайние стадии его развития. Гидрометеорологические условия изменяются не только вблизи экваториальной зоны Тихого океана, но и во всех тропических и субтропических зонах. Во время Эль-Ниньо Австралия, Африка, Индонезия и страны бассейна Индийского океана страдают от засухи, дефицит осадков приводит к заметному снижению урожая зерновых культур, поскольку большинство посевных площадей находится именно в этих местах. По неполным данным, ущерб от одного из самых сильных Эль-Ниньо 1982—1983 гг. составил 13 млрд. долл.
В последнее время зарубежными и российскими специалистами выполнен ряд исследований, доказывающих возможность влияния Эль-Ниньо — Ла-Нинья на гидрометеорологические и экологические условия океанов, морей и материков не только экваториальной зоны, но и всего земного шара [Гущина и др., 2000, Нелепо и др. 2002, Нечволодов и др., 1999, Мохов и др.2000]. Полагают даже, что самый большой и наиболее важный сигнал в межгодовой климатической изменчивости Земли связан именно с этим феноменом [Мохов и др.2000].
Этим вопросам посвящено значительное количество публикаций, но существенно меньшее внимание уделяется изучению природы Эль-Ниньо — Ла-Нинья. Есть много, в том числе и принципиально разных, объяснений их возникновения, которые можно разделить на два основных типа [Нелепо и др., 2002, Мохов и др., 2000, Baturin, Niiler, 1997]. И тот, и другой в главном опираются на расчётно-гипотетические представления, в меньшей степени — на инструментальные данные о динамике вод океана. Эль-Ниньо в объяснениях первого типа формируется экваториальными крупномасштабными течениями и противотечениями. Это явление возникает из-за поступления теплых вод из западной в восточную часть океана. Оно вызвано поверхностным противотечением, возникающим при прекращении действия пассатов.
а)
б) Эль-Ниньо, декабрь 1997г.
в) Ла-Нинья, декабрь 2000г.
Рис.52а, б, в. Средняя температура воды за 01.01.1993 – 27.11.2009 (0C) Тихого океана на глубине 15 м (а) и аномалии температуры во время Эль-Ниньо (б) и Ла-Нинья (в).
Однако, анализ измерений скорости течений показывает, что таких поверхностных противотечений не существует. Время действия течений в восточном направлении не превышает полугода при средней скорости не более 0.3 м/с. А для того, чтобы доставить воду из западной части океана в восточную, скорость течения должна быть примерно в три раза больше — 1 м/с.
Объяснения формирования Эль-Ниньо — Ла-Нинья второго типа (в частности, образование Эль-Ниньо) связывают с планетарными волнами Кельвина и Россби, образование и развитие которых неразрывно с ветровой активностью над океаном. Другими словами, Эль-Ниньо вызвано пассатами, генерирующими волны Россби вне Экватора, севернее и южнее от него, приблизительно в районе 15—20° широт. Волны распространяются на запад, достигнув западных окраин океана, отражаются от них уже в виде волн Кельвина. Далее они распространяются на восток вдоль Экватора. Достигнув этой части океана, они создают Эль-Ниньо. Однако из анализа измерений течений следует, что в экваториальной зоне океана нет ни волн Кельвина, ни Россби, а есть смешанные, обладающие и признаками волн гравитационных, и Россби. Эти смешанные и волны Россби имеют сходства и различия. Так, те и другие распространяются в западном направлении, но основная доля энергии волн Россби сосредоточена севернее и южнее экватора, а у смешанных волн — на Экваторе. Однако, эти смешанные волны, как принято будем называть волнами Россби. В дальнейшем более основательно будет изложено представление о течениях и волнах Россби экваториальной зоны океана, что позволит лучше понять их природу. Кроме того, инструментальные данные показывают, что появление Эль-Ниньо связано с отсутствием в восточной части волн Россби (точнее, Эль-Ниньо возникает, когда волны небольшие), но не с появлением больших волн, как в упомянутых объяснениях второго типа.
Достоверная инструментальная информация позволила сделать новые выводы. Она получена в рамках Международного проекта ТАО (Тропический океан - атмосфера) в экваториальной зоне океана в конце XX в. [Baturin, Niiler, 1997, Halpern, Knox, Luter, 1988.
Основой этих исследований послужили более ранние исследования волн Россби, крупномасштабных течений и, в особенности, прибрежного апвеллинга и даунвеллинга (подъема глубинных вод к поверхности моря и опускания поверхностных на глубину на шельфе Каспия) [Бондаренко, Жмур, 2004, Бондаренко, 2006]. Наблюдалиcь изменения температуры и скорости течений, напоминающие те, что происходят во время Эль-Ниньо — Ла-Нинья. На шельфе Каспия экспериментально установлено, что апвеллинг-даунвеллинг формируется не ветром, как было принято, а крупномасштабными течениями и континентальными шельфовыми волнами [Бондаренко, 2006, Бондаренко, Жмур, 2007в]. Последние похожи на волны Россби, поскольку имеют аналогичную динамику и дисперсионные соотношения. Фактически это одни и те же явления, но развивающиеся в различных условиях: одни у берегов океанов и в морях, другие - в открытых частях океанов. Причём в обоих случаях активную роль в формировании этого явления играют крупномасштабные течения и волны, а пассивную — восточный берег моря или океана при апвеллинге-даунвеллинге и Экватор — в образовании Эль-Ниньо — Ла-Нинья.
Указанные исследования, опубликованные в 2002 г, продолжались и позже. Была получена дополнительная информация о течениях и температуре океана, тесно связанных с развитием Эль-Ниньо – Ла-Нинья. В частности, о течениях и температуре, получаемая по программе ТАО с 1983 по 2009 гг на Экваторе в пунктах: I (1400 з. д.), II (1100 з.д.). Активно использовалась информация о температуре океана и атмосферы, атмосферного давления и ветра. Информацией, использованной для получения климатической картины температуры воды океана, атмосферного давления, ветра, послужили данные NCEP/NCAR Reananalysis, представляющие результаты объективного анализа среднемесячных полей основных метеорологических элементов, проведенного совместно Национальным центром по прогнозу окружающей среды (Вашингтон) и Национальным центром по атмосферным исследованиям (Болдер, Колорадо) [Kalnay et al., 1996].
Чтобы стал понятен механизм формирования явления Эль-Ниньо — Ла-Нинья, необходимо дать некоторые пояснения о крупномасштабных течениях и волнах Россби экваториальной зоны Тихого океана.
Крупномасштабные течения и волны Россби экваториальной зоны Тихого океана
Крупномасштабные течения экваториальной зоны Тихого океана направлены вдоль Экватора, их можно представить двумя системами течений: постоянное течение – 1 и переменное - 2, 3 (рис. 53), направление которого меняется: полгода оно западное, полгода – восточное. Постоянное течение, максимальные скорости которого составляют ~ 1 м/c, наблюдаются на горизонте 80 м, оно направлено на восток и названо течением Кромвеля. Аналогичные течения, приблизительно с такими же скоростями, существуют в Атлантическом океане - это течение Ломоносова, в Индийском - течение Тареева [Бубнов В.A., 1990, Gouriou Y. et al., 1999].
Рис. 53. Скорости течений в пункте I (1400 з.д.) на экваторе: средней многолетней (1), переменного течения на восток (2), на запад (3).
Представления о характере изменения скорости течений с глубиной можно получить из графика (рис. 53). Большие скорости течений наблюдаются только в узкой, до 2° к северу и югу приэкваториальной зоне океана, а 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 [Бондаренко, 2006, Бондаренко, Жмур, 2007в]. Средний многолетний расход воды течений преобладает в движении на восток. Скорее всего этим и объясняется то, что термоклин на востоке океана находится ближе к поверхности (рис.54), чем на западе. Это же объясняет и то, что явление Эль-Ниньо – Ла-Нинья и у берега апвеллинг-даунвеллинг наблюдаются в восточной части океана.
Рис. 54. Распределение температуры воды (0С) по вертикальному сечению Тихого океана вдоль экватора [Bjerknes, 1972].
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. Скорости волновых течений (эквивалент энергии) изменяются во времени и пространстве. Согласно исследованиям [Бондаренко и др., 2004] скорость течения равна амплитуде колебания скорости течения волн, фактически максимальной скорости в волне. Поэтому наибольшие скорости волновых течений наблюдаются в областях сильных крупномасмштабных течений: западных пограничных, экваториальных, циркумполярном течениях. В качестве примера можно рассмотреть схемы течений Тихого океана (рис. 7а, б, рис. 8а, б, Гл.I).
На западе заметно выделяются течения Куросио и Восточно-Австралийское со средними скоростями ~ 40см/с, Экваториальные течения со скоростями ~ 25 см/с, на юге Антарктическое Циркумполярное со скоростями ~20см/с. В средней части океана около широты ~ 250 расположена зона с очень маленькими скоростями течений, ~ 3 – 5 см/с. На этих же широтах северного и южного полушарий во всех трёх океанах существует зона с такими же малыми скоростями течений. В Атлантическом океане Северного полушария она получила название “конских широт”.
Рис.55а, б. Линии токов волн Росссби в узкой приэкваториальной зоне (20 – 30 от Экватора на север и юг ) в виде эллипсов со стрелками (вектор волновых течений) и её окружение. Наверху – вид по вертикальному сечению вдоль экватора (А), внизу – 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.
В соответствии с исследованиями [Бондаренко, Жмур, 2004, Бондаренко, 2006] линии токов течений волн Россби в узкой приэкваториальной зоне (20 – 30 от Экватора на север и юг ) и её окружении схематически можно представить в виде линий токов диполя, (рис 55а, б). Напомним, что они указывают на мгновенное направление векторов течений, или, что одно и тоже, направление силы, создающей течения, скорость которых пропорциональна плотности линий токов. Мы видим, что у поверхности океана в экваториальной зоне плотность линий токов гораздо больше, чем за его пределами, а отсюда, и скорости течений больше. Движения частиц воды волн в поверхностном слое образуют поверхностное приэкваториальное течение, в глубинном слое - противотечение глубинное, 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 достигают 70 см/с, то вертикальная равна приблизительно 0,7 мм/с. При этом если длина волны равна 1000 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 между собой волн с различными периодами. Назовем его модуляционным механизмом. В настоящее время не существует доказательств того, как и почему волны выстраиваются в модуляции, почему иногда они четкие, а иногда нечеткие, почему имеют определенный период и иногда разрушаются и т.д.
Согласно исследованиям [Бондаренко и др., 2004], время жизни и установления поля волн Россбии и связанных с ними крупномасштабных течений превышает 100 периодов волн, что равно приблизительно 10 годам. Большое время жизни и установления волн и течений объясняется их высокой инерционностью, большой массой воды, вовлеченной в движение, и крайне малыми потерями энергии, например, на трение, что характерно для волн в целом.
Параметры волн Россби экваториальной зоны Тихого океана определены [Бондаренко, Жмур, 2007в, Бондаренко, 2006, Baturin, Niller, 1997] по измерениям течений в точках I, II эксперимента ТАО: направление распространения — на запад, фазовая скорость — 0.9 м/c, период ~20 сут, длина волны ~1600 км, амплитуды колебаний меридиональной составляющей скорости течений волн до 80 см/c. По мере удаления от экватора к северу и югу на 2—3° амплитуды заметно уменьшаются и уже в пассатной зоне не превышают 30 см/c. Таким образом, основная доля кинетической энергии волн и течений сосредоточена у Экватора в пределах 2—3° широты. Часто эти волны и течения у Экватора рассматривают, как «захваченные» экватором, а небольшие по площади экваториальные зоны — как особые зоны концентрации энергии волн и течений.
Рис. 56а, б. Меридиональная составляющая скорости течения, V (а) и температура воды (б) в пункте на экваторе (1400 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. 56а 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. Иногда модуляции имеют стройный квазигармонический характер и это состояние можно рассматривать как типичное для экваториальной зоны Тихого океана, иногда же они выражены нечетко. Но 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-Нинья: nемпература воды опустилась до 200С, в отдельные моменты до 180C. Подобные по силе Эль-Нино и Ла-Нинья за весь срок наблюдений с 1983 г по настоящее время были только дважды: Эл-Ниньо – в 1982-83 гг (наблюдения ведутся только с марта 1983г), Ла-Нинья -1988г.
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 [Сидоренков,1999] показывают, что явления Южное колебание атмосферы и Эль-Ниньо — Ла-Нинья каким-то образом связаны с нутациями Земли, поскольку между этими явлениями наблюдается корреляционная связь. Так это или нет, но можно утверждать, что связь с положением Солнца относительно Земли в этом случае проявляется.
Следует отметить, что такие четкие модуляции волн наблюдаются только у Экватора, в остальных областях океана они выражены нечетко и их период различен. При пересечении волнами Тихого океана (за полгода) их параметры очень слабо трансформируются. Так, при прохождении волн между пунктами координатами 110°в.д. и 140°в.д. (расстояние 3500 км) форма и параметры волн и модуляций трансформировались слабо, что и позволило с определить основные параметры волн: фазовую скорость, длину, период.
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 были изложены ранее (см. рис. 55а, б). Более тёмным цветом выделяются области подъёма холодной воды, более светлым – опускания тёплой. По этим аномалиям холодной воды можно определить параметры волны. По длине Экватора в зоне Тихого океана, что соответствует приблизительно 900 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. Судя по всему, это приближённая величина, поскольку очень трудно определить графически положение аномалии, которая деформируется при движении. Волны Россби обнаруживаются не только в течениях, но и в колебаниях уровня моря (рис.57), и температурных аномалиях (рис. 58).
Рис. 57.Аномалии уровня вдоль экватора Тихого океана за период 2004 –2008 гг.
Рис. 58. Поля аномалии температуры (?С) относительно среднего значения за 1993 – 1998 гг приэкваториальной зоны Тихого океана между 200 с.ш. и ю.ш. на глубине 15 метров на 20 сентября 1998 г.
Эти величины параметров волн расходятся с величинами, определёнными с помощью спектрального анализа [Baturin, Niller, 1997] и приведенными ранее. Представляется, что установленные нами величины более точны. Так, чётко видно, что по Экватору укладывается 10 – 12 волн (см. рис. 58), а согласно [Baturin, Niller, 1997] их должно укладываться 5,5 волны (при длине волны ~ 1600 км). Период волны, равный 20 суткам, скорее всего авторами [Baturin, Niller, 1997] определён был правильно, поскольку такую же величину получили графически и мы по измерениям течений, образец которых представлен (рис. 56а).
Исследования [Бондаренко, Жмур, 2004, Бондаренко, 2006] показывают, что крупномасштабные течения и волны Россби физически и корреляционно взаимосвязаны. Обсудим эту проблему. Для приповерхностных течений и волн Россби экваториальной зоны Тихого океана получена следующая зависимость:
U ~ V0
Здесь U — скорость крупномасштабного течения, V0 — амплитуда колебания скорости течений волн Россби. Эта зависимость одновременная, полученная по продолжительным измерениям скорости течений в пункте I с высокой достоверностью (коэффициент корреляции — 0.9). В [Бодаренко и др. 2004, Бондаренко, Жмур, 2007в] дано объяснение: крупномасштабные течения и волны Россби представляют нечто целое. События, описываемые рассматриваемой зависимостью, можно трактовать так: крупномасштабные течения это не что иное, как последовательность волн Россби. Кстати, именно так К. Россби рассматривал крупномасштабные течения Мирового океана (http://betyaevs.narod.ru/chapter16/index1611.htm).
Формирование явления Эль-Ниньо – Ла-Нинья
В формировании Эль-Ниньо — Ла-Нинья 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. 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. Этой ситуации 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 ~ 20 сут. 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 перемешивания вод по вертикали будет зависеть от таких параметров волны, как ее период и амплитуда колебания скорости ее течения. Температура воды у поверхности океана - Т будет зависеть от разности количеств тепла, поступившего из атмосферы и глубин океана. Количество тепла, поступившее из глубин океана, будет зависеть от осредненной за некоторое время величины амплитуды колебания скорости течений волн Россби, ? - среднее квадратическое отклонение амплитуды колебаний скорости течения V0, зависящее от продолжительности действия этих волн, их частоты 1/? (? ?— 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-Нинья можно записать условно в такой форме:
T = F(?, 1/ ?, 1/H).
Учитывая, что ? и U взаимосвязаны и глубина термоклина зависит от U, то для постоянной частоты волн 1/? это соотношение в фиксированном месте можно записать так: T = = K1?, где K1 — постоянная величина, определяемая экспериментально. На рис. 61 представлены результаты проверки изложенного объяснения формирования Эль-Ниньо — Ла-Нинья 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. 59. Характеристики скорости течений и температуры поверхности океана в пункте I (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.
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 и является показателем развития Эль-Ниньо — Ла-Нинья, зависит от амплитуды колебания скорости течения волн Россби и, естественно, от параметров связанных с ними крупномасштабных течений. В периоды Ла-Нинья биологическая продуктивность океана увеличивается, но не только за счет понижения температуры воды, а в первую очередь за счет интенсификации вертикальных ее движений. В периоды Эль-Ниньо вертикальные движения воды ослабевают, что и приводит к уменьшению биологической продуктивности океана и гибели рыбы. Явления, аналогичные Эль-Ниньо — Ла-Нинья 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.60). Высокий коэффициент корреляции (0,88) указывает на то, что изменения температуры поверхности океана в значительной степени зависят от параметров волн Россби, а прочие факторы не оказывают на них существенного влияния. Уравнение регрессии зависимости (рис.62) есть: T = = - K? + T’. Здесь T- температура поверхности океана, ? - среднеквадратическая (за половину года) величина амплитуды колебания скорости течений волн Россби, K= 0,167 0С см-1с, T и T’ измеряется в 0С, T’ = 29,70С, коэффициент корреляции 0,9.
Следующие схемы (рис. 61) аномалий поля температуры поверхностной воды Тропической зоны Тихого океана позволяют проследить за её изменениями при развитии Эль-Ниньо – Ла-Нинья с ноября 1996 г по ноябрь 1998 г. За это время стадии явления изменялись так: слабое Ла-Нинья – сильное Эль-Ниньо – сильное Ла-Нинья (рис.58а, б). Во время слабого Ла-Нинья температура воды понизилась в январе 1997 г относительно среднего значения – 250С незначительно, всего на 1 0С. Но начиная с этого момента температура поверхностных вод увеличивается и в конце 1997 г достигает максимальных значений, 300С. С мая 1997 г по апрель 1998 г явление Эль-Ниньо – Ла-Нинья можно характеризовать, как сильное Эль-Ниньо, при повышении температуры воды около поверхности более 280С. Но начиная с мая 1998 г наступило сильное Ла-Нинья и температура воды уменьшилась в среднем до 210С, а в отдельные моменты до 180С.
Рис. 60. Связь среднеквадратической (за половину года) величины скорости течений волн Россби с температурой поверхности океана для пункта I (140°з.д.), коэффициент корреляции 0,88.
Рис.61. Поля аномалии температуры (?С) относительно среднего значения за 1993 – 1998 гг приэкваториальной зоны Тихого океана между 200 с.ш. и ю.ш. на глубине 15 метров за различные “моменты” времени с мая 1997 г по октябрь 1998 г.
Эль-Ниньо —Ла-Нинья и пассаты
В соответствии с общепринятым объяснением, Эль-Ниньо — Ла-Нинья первого типа развивается так. Изменения атмосферной активности, а точнее ветра — пассатов, приводят к изменению динамики вод океана: крупномасштабных течений или долгопериодных волн. В свою очередь эти изменения определяют стадию развития Эль-Ниньо — Ла-Нинья, что проявляется в изменениях температуры поверхностных вод океана. Таким образом, первопричина изменения стадии развития Эль-Ниньо — Ла-Нинья — атмосферная активность, активность ветра.
В нашем же объяснении первопричиной развития Эль-Ниньо — Ла-Нинья является модуляционный механизм взаимодействия волн, в результате активности которого изменяется динамика океана, а точнее волн Россби и крупномасштабных течений. Это в свою очередь приводит к изменению стадии развития Эль-Ниньо — Ла-Нинья, а, соответственно, и температуры поверхностных вод океана и, как следствие, температуры воздуха над океаном и режима ветра — пассатов. Другими словами, если в общепринятых объяснениях вариации пассатов — причина изменения стадии развития ЭльНиньо — Ла-Нинья, то в нашем — следствие.
Обычно считается, что существует довольно тесная корреляционная одновременная связь скорости крупномасштабных течений и пассатов. Если рассматривать эту связь формально, то трудно ответить, что в ней является причиной, а что следствием. Считается, что ветер, в данном случае пассаты, создает крупномасштабные течения. Эта точка зрения хотя и популярная, но довольно странная. Если допустить, что ветер создает крупномасштабные течения у Экватора, тогда, учитывая инерционность течений (время их жизни более 10 лет), одновременная корреляционная связь крупномасштабных течений с ветром должна отсутствовать, а она есть и, судя по всему, хорошая. Из этого можно сделать вывод, что ветер (пассаты) не создает изменения динамики вод океана и принятые объяснения формирования Эль-Ниньо — Ла-Нинья неверны. Вместе с тем, наличие высокой корреляционной связи ветров с динамикой океана хорошо согласуется с нашим объяснением формирования Эль-Ниньо — Ла-Нинья, если считать, что инерционность атмосферы невелика и задержка в реакции ветра на изменения температуры вод небольшая.
Следует отметить, что мы не одиноки в представлениях о характере связи ветра — пассатов и температуры поверхности вод экваториальной зоны океана. Так, известный американский метеоролог Дж. Бьеркнес [Bjerknes, 1972] отмечал, что повышение температуры поверхности океана в восточной части экваториальной зоны Тихого океана происходит одновременно, а зачастую и опережает ослабление пассатов над центральной частью Тихого океана. Это дало основание метеорологам считать, что причиной ослабления пассатов является аномально высокая температура поверхности центральной части Тихого океана [Bjerknes, 1972]. Отсюда вывод: изменение ветровой активности — не причина развития Эль-Ниньо — Ла-Нинья, как рассматривается в принятых объяснениях этого явления, а его следствие. И это не противоречит нашему объяснению природы Эль-Ниньо — Ла-Нинья, согласно которому сначала меняется динамика вод, обусловленная взаимодействием волн, а затем изменяется температура поверхностных вод океана и еще позже (в данном случае через два месяца) — режим ветра.
Итак, можно подвести итог. В развитии явления Эль-Ниньо — Ла-Нинья активно участвуют волны Россби и крупномасштабные течения в режиме одновременной их взаимной связи. Крупномасштабные течения обуславливают положение термоклина, удаляя его от поверхности океана или приближая к нему. Волны Россби создают переменно направленную циркуляцию вод в вертикальной плоскости, перпендикулярной Экватору. В результате активности волн происходит перемешивание по вертикали холодных глубинных вод с более теплыми поверхностными и, как следствие этого, на поверхности экваториальной зоны океана оказывается более холодная вода, чем за ее пределами к северу и югу. Фактически Эль-Ниньо — Ла-Нинья — это апвеллинг-даунвеллинг, обусловленный активностью волн Россби и связанных с ними крупномасштабных течений, который развивается в обширной приэкваториальной зоне восточной части 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 с чередующимися амплитудами, 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-Нинья. В периоды, когда волны выстраиваются в чёткие модуляции, развивается Ла-Нинья, при уменьшении волн в модуляциях развивается слабое Эль-Ниньо, а при разрушении модуляций — сильное. Установлена связь среднеквадратической (за половину года) величины скорости течений волн Россби с температурой поверхности океана, коэффициент корреляции 0.88. Таким образом, непосредственная причина развития явления Эль-Ниньо — Ла-Нинья — модуляционный механизм перестройки волн Россби и связанных с ними крупномасштабных течений.
Для дальнейшего познания феномена Эль-Ниньо — Ла-Нинья необходимо более глубоко изучить механизмы формирования волн Россби и крупномасштабных течений, их взаимные связи, а также закономерности построения волн Россби в модуляции и их разрушения.
Сведения об авторе.
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.