Взаимодействие океана и атмосферы.
Волны Россби Мирового океана.

Формирование волнами Россби явлений апвеллинг-даунвеллинг, Эль-Ниньо – Ла-Нинья, их влияние на атмосферу. Вертикальные движения воды вверх получили название апвеллинга, а вниз – даунвеллинга. О наличии этих явлений в океанах или морях судят по аномалиям температуры воды (в основном холодной) на поверхности океана или моря. В качестве примера приведём данные по температурному полю поверхностных вод около северо-восточной части Чёрного моря, сформированного волнами Россби распространяющимися вдоль берега в северо-западном направлении (рис. 6).

Выделяются отрицательные аномалии, в центре которых температура воды ~17⁰С и положительные с температурой ~24⁰С. Первые образованы апвеллингом, вторые – даунвеллингом. Такую структуру поля исследователи часто называют

Рис.6. Распределение температуры поверхности воды северо-восточной части Чёрного моря, в град. Цельсия, полученное по данным её измерений с борта движущегося судна.

бимодальной. Расстояние между центрами отрицательных или положительных аномалий равно длине волны, в данном случае ~ 100 км.

В прибрежных, особенно у берегов восточных окраин океанов и морей, и экваториальных зонах океанов в крупномасштабных струйных течениях вертикальные движения воды волн Россби образуют значительные по площади области с аномально низкой температурой воды, т.н. зоны апвеллингов.

Рис. 6. Аномалии температуры поверхности воды экваториальной зоны Тихого океана в октябре 1987 г. относительно среднего его значения за период 1980-1995 гг [Webster, Palmer, 1997].

 

Явление Эль-Ниньо – Ла-Нинья

 

В экваториальной зоне волны Россби особенно большие, они и создают заметные движения воды в вертикальном направлении, а отсюда и заметные изменения температуры поверхности океана. Явление, с которым связаны такие изменения температуры получило название Эль-Ниньо – Ла-Нинья [3-5]. Изменение температуры поверхности океана или моря зависит от скорости вертикального обмена глубинных вод с поверхностными, т.е. скорости вертикальных движений воды и градиента температуры воды с глубиной. Поток тепла из атмосферы обоснованно принят постоянным [3-5].

Обосновать свою точку зрения на закономерности формирования этого явления авторам [3-5] удалось благодаря анализу уникальных по продолжительности и качеству измерений течений и температуры воды в экваториальной зоне Тихого океана. Начиная с 1981г по настоящее время по международной программе ТОGA TAO во многих пунктах экваториальной зоны Тихого океана выполняются измерения течений и температуры морской воды на горизонтах 10, 15, 25 м, и т. до горизонта 300 м.. В точках 110⁰ и 140⁰ западной долготы на экваторе они производились практически непрерывно.

Для проверки изложенного объяснения Эль-Ниньо - Ла-Нинья приведём исследования, полученные по измерениям течений V и температуры воды Т в пункте I (рис.6). Образец таких измерений приведен на рис. 7а, б. Зависимость температуры воды поверхности океана - показателя развития Эль-Ниньо – Ла-Нинья - от амплитуды колебания скорости течений волн Россби легко прослеживается по измерениям температуры воды и скорости течений этих волн.

Рис. 7а, б. Меридиональная составляющая скорости течения, V (а) и температура воды (б) в пункте I (140⁰ з.д.) на горизонте 10 м.

Мы видим, что амплитуда колебаний скорости течений волн Россби меняется во времени приблизительно с периодом 19 суток. На участке 101 – 801 час. выделяется две модуляции течений с амплитудами колебания скорости до ~ 80 см/с (а). Большим волнам с амплитудами ~ 80 см/с, наблюдаемых приблизительно в моменты времени 301, 701 час соответствует низкая температура воды, T ~24⁰C, а малым волнам, в промежутке между этими модуляциями соответствует более высокая температура воды, ~ 26⁰С. При таком развитии событий зимой вода более тёплая, летом холодная. Этим состояниям воды соответствуют слабые Эль-Ниньо и Ла-Нинья. Иногда волны разрушаются и превращаются в хаотическую последовательность относительно небольших волн, на рис. 6а такое состояние начинается со времени ~ 801 час (1997 г). Начиная с этого момента температура воды начинает увеличиваться до 30⁰С. Это состояние океана называется Эль-Ниньо. Обычно оно начинается зимой и длится больше года, иногда два. В данном случае оно продолжалось около года (до марта 1998г). Это одно из двух сильных Эль-Ниньо с 1983 по 2009 гг, первое наблюдалось в 1982-83 гг.

Прекращение Эль-Ниньо связано с появлением больших волн, начиная с апреля 1997 г. С этого момента температура воды понизилась в среднем до 21⁰C и уменьшалась в отдельные моменты до 18⁰С. Такой показатель соответствует состоянию Ла-Нинья. В данном случае оно сильное, температура океана понижается до таких величин крайне редко. С 1983 г. наблюдалось только два таких случая.

Поскольку температура поверхности океана зависит не от текущей величины волн Россби, а от средней за некоторый промежуток времени, то в дальнейшем для анализа связи температуры воды и волн Россби мы используем среднеквадратические величины амплитуды колебания скорости течения за интервал осреднения ½ года, с.к.о.V_o и текущее значение температуры поверхности воды океана [3- 5]. Результаты приведены на рис. 8а, б, в.

По Т и с.к.о.V_o была построена связь (рис. 9). Сопоставлены максимумы (I, II, III и т. д.) и минимумы (1, 2, 3 и т. д.) значений кривой в) с соответствующими максимумами и минимумами кривой б) (рис. 8а, б, в). Эта связь имеет коэффициент корреляции 0,88, что свидетельствует о том, что температура на поверхности океана, которая и является показателем развития Эль-Ниньо - Ла-Нинья, зависит от амплитуды колебания скорости течения волн Россби.

Связь температуры воды на поверхности океана с волнами хорошо заметна при визуальном рассмотрении поведения параметров волн Россби (рис.8а, б, в). Так, моментам Л-Н (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7) соответствует низкая температура поверхности воды (~24⁰C) и четкие волновые колебания течений в модуляциях с большой амплитудой. В это время крупномасштабные течения направлены на запад и их скорости достигают максимальных значений. Моментам слабого Э-Н (I, II, III, IV, V, рис. 8в) соответствует средняя температура поверхности воды (~27⁰C) и волновые колебания в модуляциях с малыми амплитудами, но не продолжительное время.

Рис. 8а, б, в. Характеристики скорости течений и температуры поверхности воды океана в пункте (140^о з.д.). Меридиональная составляющая скорости течений (фактически течений волн Россби), измеренных на горизонте 25 м (вверху), среднеквадратическая за половину года величина этих течений волн Россби (в середине), температура поверхности океана (внизу). Римскими и арабскими цифрами отмечены моменты времени. Пояснение в тексте.

Рис.9. Связь среднеквадратической (за половину года) величины скорости течений волн Россби с температурой воды поверхности океана. Коэффициент корреляции 0,88.

В это временя крупномасштабные течения направлены на восток и их скорости максимальны. Моментам сильного Эль-Ниньо (VI, VII, VIII, рис.8в) соответствует высокая температура (~29⁰С) и волновые колебания течений с малыми амплитудами продолжительное время и малыми скоростями крупномасштабных течений. Такая ситуация наблюдается, например, между моментами времени 4 – 5 (рис. 8а).

В периоды Ла-Нинья биологическая продуктивность океанавозрастает, и, соответственно, увеличивается количество рыбы в нем, не только из-за понижения температуры воды, но, в первую очередь, за счет интенсификации вертикальных движений воды. В период Эль-Ниньо вертикальные движения воды ослабевают, что и приводит к уменьшению биологической продуктивности океана и гибели рыбы.

Таким образом, наше объяснение механизма явления Эль-Нино - Ла-Нинья хорошо согласуется с данными анализа этого эксперимента. Аналогичные явления наблюдаются и в Атлантическом и в Индийском океанах, но в менее заметных масштабах. В индийском океане с этим явлением связаны муссоны (ветры), зимний и летний.

Пояснить изложенное. Как отмечалось, температура поверхности океана завит от потока тепла, поступающего с глубины океана и из атмосферы. Наличие высокого коэффициента связи позволяет сделать вывод, что изменения температуры воды на поверхности океана в основном обусловлены изменениями потока тепла с глубины океана, которые существенно определяются вертикальными движениями воды волн Россби. Они, изменяя температурный режим поверхности океана или моря, а отсюда и воздуха, изменяют режим ветра, давления, влажности воздуха и т.д., погоды и климата над океаном и сушей. Так, различия температурного режима вод в районе экватора формируют всем известные ветры – пассаты, изменения поля давления в системе Южного колебания и др. Эти изменения температуры вод океана очень существенны. Так, многие учёные полагают, что “самый большой и наиболее важный сигнал в межгодовой климатической изменчивости Земли связан с явлением Эль-Ниньо – Ла-Нинья” [9].

Относительно быстрые изменения температуры поверхности моря, вызваны апвеллингом, созданным волнами Россби. Эти изменения температуры создают локальные ветры, часто большой силы. Так, в районе восточного берега Среднего Каспия при апвеллинге они нередко достигают 10 - 20 м/c. Естественно, их следует отнести к фактору, существенно влияющему на погоду. Эти апвеллинги могут меняться в такт с параметрами волн Россби в режиме длительных временных изменений. В этом случае можно говорить о их влиянии на климат.

Принято считать, что атмосфера влияет на океан на более высоких частотах, чем океан на атмосферу, что объясняется тепловой инерционностью океана. Приведенные здесь описания говорят об обратном: существенное влияние океана на атмосферу проявляется на более высоких частотах, нежели влияние атмосферы на океан, что мы, в частности, наблюдаем во время развития явлений апвеллинг - даунвеллинг, Эль-Ниньо – Ла-Нинья. Влияние океана на атмосферу через волны Россби существенно проявляется на периодах от нескольких суток до нескольких десятилетий.

Резюме. На примере явления Эль-Ниньо – Ла-Нинья мы продемонстрировали существенное участие волн Росссби в формировании термодинамики экваториальной зоны Тихого океана и атмосферы, а следовательно погоды и климата Земли. Если учесть , что Мировой океан буквально “забит” волнами Россби, то мы поймём, что их влияние на океан и атмосферу, погоду и климат Земли огромно.

Ранее мы отмечали, что волны “живут” по своим собственным, волновым законам, независимо от активности источника поступления энергии. Поэтому чтобы понять закономерности развития термодинамики вод океана, а отсюда и атмосферы, погоды и климата Земли, необходимо понять закономерности развития волн Россби, которые мы изучили недостаточно. Из анализа наблюдений волн понятно, что их параметры как-то зависят от широты места и морфометрии бассейна. Но как, точно не известно. Не известны закономерности модуляции волн и равенства их периода одному году на экваторе, закономерности разрушения модуляций. Без понимания всего этого невозможно разработать физически обоснованное объяснение развития термодинамики океана и атмосферы, погоды и климата Земли. Поэтому и надо лучше знать волны Россби!

 

 

 

ЛИТЕРАТУРА

 

1.Бондаренко А.Л. Прибрежный апвеллинг Каспийского моря// Водные ресурсы. 1998. Том. 25. № 4. с. 510-512.

2.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 (сентябрь - октябрь). C. 24-34.

3.Бондаренко А.Л., Жмур В.В. О природе и возможности прогнозирования явления Ель-Ниньо - Ла-Нинья // Метеорология и гидрология. 2004. № 11.

4.Бондаренко А.Л., Жмур В.В. Закономерности формирования явления Ель-Ниньо - Ла-Нинья // Физические проблемы экологии (экологическая физика). 2005. М.: МАКС ПРЕСС. Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова. Физический факультет. № 13. С. 35-44.

5.Бондаренко А.Л. Эль-Ниньо – Ла-Нинья: механизм формирования// Природа. №5.2006. С. 39 – 47.

6.Бондаренко А.Л., Жмур В.В. Гольфстрим, его настоящее и будущее// Природа. 2007. №7. С.29-37.

7. Атлас ПОЛИМОДЕ. Под редакцией А. Д. Вуриса, В.М. Каменковича, А.С. Монина. 1986. 380 с.

8. Thompson R.O.R.Y. Topographic Rossby waves at a site north of the Gulf Stream// Deep-Sea Res. 1971. Vol. 18. №. P.1-19.

9. Нечволодов Л.В., Лобов А.Л. и др.//Метеорология и гидрология. 1999. №6.

 

В начало

]

 

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.

Контакты с автором статьи