Как происходит зарождение погоды в мировом океане егэ

Всего: 106    1–20 | 21–40 | 41–60 | 61–80 …

Добавить в вариант

Всего: 106    1–20 | 21–40 | 41–60 | 61–80 …

Тесная связь океана с атмосферой делает понимание его поведения жизненно важным для прогнозирования погодных и климатических условий. Океан поглощает большую часть солнечной энергии, достигающей Земли. Поскольку экваториальные зоны получают гораздо больше солнечной энергии, чем приполярные, огромные горизонтальные и вертикальные океанические течения аккумулируют и переносят это тепло по всей планете. Некоторые из этих течений несут тепло на протяжении тысяч километров, прежде чем выпустить большую его часть обратно в атмосферу.

Океан нагревается и охлаждается медленнее, чем атмосфера, поэтому прибрежная погода, как правило, более умеренная, чем континентальная, с меньшими колебаниями между крайне высокими и крайне низкими температурами. Испарение воды с поверхности океана, особенно в тропиках, создает большую часть дождевых облаков, влияя на расположение влажных и сухих зон на суше. Огромное количество энергии, поглощаемой океаном, создает самые мощные и разрушительные в мире штормы и экстремальные явления, такие как циклоны (в том числе тропические и внетропические).

Более 90 % избыточного тепла, удерживаемого на Земле в результате антропогенных выбросов углекислого газа, хранится в океане — только около 2,3 % этого тепла нагревают атмосферу, а остальное тепло обеспечивает таяние снега и льда и согревает сушу. В результате температура атмосферы повышается медленнее, чем было бы в противном случае. Однако это не должно оправдывать наше бездействие, поскольку потепление океана лишь отсрочивает более существенное воздействие на изменение климата. Избыточное тепло способствует повышению уровня моря вследствие теплового расширения, появлению аноксических (лишенных кислорода) участков океана, таянию морского льда, формированию морских тепловых волн, обесцвечиванию кораллов и созданию других неблагоприятных для морской флоры и фауны условий. Значительная часть вновь поглощенного океаном тепла в течение ближайших веков неизбежно попадет в атмосферу.

Специалисты по прогнозированию погоды объединяют наблюдения за океаном и знания о том, как взаимодействуют океан и атмосфера, определяя погоду, сезонный и долгосрочный климат и океаническую структуру, с наблюдениями за температурой (атмосферы и поверхности океана), атмосферным давлением, ветром, волнами, осадками и другими переменными. Взятые в совокупности, эти наборы данных становятся ключевым вкладом в объединенные модели численного прогнозирования погоды и климата. Поэтому сообщество ВМО в значительной степени заинтересовано в оказании поддержки океаническим наблюдениям, исследованиям и предоставлению обслуживания.

Кондратьев К. Я. Окружающая среда и климат. 1985

При развитии крупномасштабных атмосферных процессов, влияющих на формирование аномалий погоды и климата, необходимо принимать во внимание явления, происходящие во всей глобальной атмосфере, в ее взаимодействии с поверхностью суши и особенно океана, представляющего собой гигантский резервуар тепла. В этой связи учет взаимодействия атмосферы и океана, проявляющегося в обмене теплом, влагой и количеством движения, приобретает ключевое значение для решения проблем долгосрочного прогноза погоды и изменений климата.

Г. И. Марчук обосновал систему уравнений термогидродинамики и теории возмущений для исследования процессов формирования долговременных аномалий погоды и изменений климата, проявляющихся как изменения температуры воздуха на больших территориях. Сделанные на основе этой теории расчеты показали, что предсказываемые с различной заблаговременностью аномалии температуры в доминирующей степени обусловлены процессами, происходящими в различных (в зависимости от заблаговременности прогноза) районах Мирового океана, которые были названы энергетически активными зонами океана (ЭАЗО). Такого рода теоретический анализ, подтвержденный построенными по данным наблюдений глобальными картами теплового баланса Мирового океана и найденными ранее эмпирическими связями между тепловым состоянием океана и погодой, привел — к обоснованию концепции ЭАЗО как обладающих первостепенным приоритетом при учете факторов формирования долговременных аномалий погоды и изменений климата. Обоснование подобной концепции имеет особенно важное значение в связи с тем, что существующие наблюдательные средства все еще недостаточны для регулярного получения необходимой метеорологической и океанологической информации в глобальных масштабах. Лишь в течение 1979 г. был осуществлен Глобальный метеорологический эксперимент (его подготовка заняла около 10 лет), благодаря которому впервые получена глобальная информация, используемая теперь для проверки теоретических моделей общей циркуляции атмосферы.

Обнаружение существования ЭАЗО радикально изменило ситуацию: сосредоточив реально доступные средства обычных наблюдений (в первую очередь суда) на слежении за развитием процессов в энергетически активных зонах (разумеется, следует учитывать изменчивость и миграцию ЭАЗО) и используя данные из мерений со спутников, можно достичь более глубокого понимания процессов, управляющих долговременными аномалиями погоды и изменения климата, а также обеспечить потребности при составлении долгосрочных прогнозов погоды в соответствующей информации. Так возникла программа «Разрезы», главной целью которой стали исследования короткопериодных изменений климата (длительностью до нескольких лет) и обоснование роли процессов взаимодействия океана и атмосферы в формировании колебаний климата. Составными частями программы «Разрезы», основанной на концепции ЭАЗО, стали как натурные исследования в различных климатически ключевых районах, так и численные эксперименты с использованием данных, полученных при наблюдениях.

Задача состоит в том, чтобы изучить влияние долгопериодных изменений термодинамического состояния океана на атмосферные процессы (и обратное воздействие атмосферы на процессы в океане), которое осуществляется через взаимодействие океана с атмосферой, концентрирующееся в ЭАЗО. Важное значение имеет при этом учет изменчивости переноса тепла основными системами океанических течений, которая служит важным фактором формирования крупномасштабных аномалий в атмосфере.

В результате исследования меридионального перемещения тепла установлено, например, что в низких широтах это тепло переносится главным образом в океане: через круг 25° с. ш. океан переносит 75% тепла, тогда как на долю атмосферы приходится лишь 25%. В южном полушарии влияние океана на перемещение тепла к полюсу остается значительным даже на 60° с. ш. Все это означает, что существенные изменения переноса тепла основными системами океанических течений, а также вариации местоположения главных струй течений должны в значительной степени воздействовать на развитие атмосферных процессов. Не менее, а иногда и более значительную роль играют в энергетике океана и атмосферы так называемые среднемасштабные циркуляции, которые проявляются в форме конвекции, апвеллингов (восходящих течений), мезомасштабных вихрей и некоторых других явлений. Их пространственные масштабы являются «подсеточными», т. е. меньше шага пространственной сетки, применяемой при численном моделировании атмосферы и океана, что требует разработки методов «параметризации» таких процессов, состоящей в описании подобных процессов с использованием рассматриваемых в уравнениях термогидродинамнки метеорологических и океанографических величин (температуры воздуха и воды, скорости ветра и течений и др.).

Важный аспект параметризации состоит в разработке схем, характеризующих обмен теплом, влагой и количеством движения между океаном и атмосферой, а также радиационные процессы в атмосфере и океане. Ключевым радиационным процессом является «модуляция» поступления солнечной радиации к поверхности океана изменяющейся облачностью. Естественно, что возрастание количества облаков приводит к уменьшению поступления солнечной радиации к земной поверхности.

Устойчивые аномалии малого количества облаков влекут-за собой возрастание поглощенной океаном солнечной радиации, вызывающее усиленный прогрев океана. Течения переносят прогретые воды в высокие широты Атлантики и Тихого океана, где при низкой температуре воздуха возникают сильные вертикальные контрасты температуры, вызывающие развитие мощной конвекции, обеспечивающей передачу тепла от океана к атмосфере. Наличие холодных полярных воздушных масс создает и значительные горизонтальные контрасты температуры, что приводит к интенсивному образованию циклонов, которые, перемещаясь с запада на восток, транспортируют тепло с океанов на континенты.

При наличии продолжительных аномалий количества облаков возникают сильные изменения аккумуляции тепла океаном, порождающие аномалии температуры поверхности океана (ТПО), что с соответствующей задержкой обусловливает изменения погоды в районах суши, далеких от очагов аномалий ТПО. Подобное «дистанционное управление» погодой наблюдается, например, на территории США, где сказывается влияние аномалий ТПО в Тихом океане. Описанная ситуация определяет актуальность натурных и теоретических исследований формирования аномалий температуры поверхности океана и роли такого рода аномалий как причин долгопериодных изменений погоды.

Горизонтальная неоднородность процессов взаимодействия между океаном и атмосферой проявляется в формировании в Мировом океане энергетически активных зон, где взаимодействие наиболее интенсивно. Анализ данных по тепловому балансу Мирового океана показал, например, что в январе в северном полушарии максимальное поступление тепла из океана в атмосферу наблюдается в западной части Саргассова моря, к востоку от полуострова Ньюфаундленд, в Норвежском море и к востоку от Японии. Хотя площадь ньюфаундлендской и норвежской зон максимальной теплоотдачи составляет только 25% по отношению к площади Северной Атлантики, вклад этих зон в суммарный поток тепла от поверхности океана к атмосфере севернее 40° с. ш. достигает 47%. В южном полушарии в июле зоны максимальной теплоотдачи расположены в районе пролива Дрейка, к югу от Африки, в районе Тасманова моря и к югу от 60° ю. ш. до Антарктиды. Энергетически активные зоны характеризуются наибольшей изменчивостью температуры поверхности океана. Они связаны с теплыми течениями, направленными из низких широт в высокие. К числу этих течений принадлежат Гольфстрим и его продолжение в Северной Атлантике, а также Куросио и его продолжение в Тихом океане.

Наличие ЭАЗО в проливе Дрейка обусловлено взаимодействием Антарктического течения, опоясывающего Антарктиду, с Перуанским и Бразильским течениями. ЭАЗО, расположенная к югу от Африки, связана с Агульяским течением, а в Тасмановом море — с Восточно-Австралийским течением. Особый интерес представляет тропический пояс Мирового океана, где поглощается гигантское количество солнечной радиации, а выделяющееся при этом тепло переносится затем в высокие широты. По данным наблюдений в полосе 10—30° с. ш., количество тепла, выделяющееся в верхнем слое океана в результате поглощения солнечной радиации, достигает 350 Вт’м2. К числу ЭАЗО принадлежат зоны миграции кромки полярных льдов, а также районы формирования мощных муссонных течений в Индийском океане и в других частях Мирового океана. Роль различных ЭАЗО в формировании долговременных аномалий погоды значительно изменяется в течение года и от года к году.

К числу основных задач программы «Разрезы» принадлежит изучение процессов, управляющих крупномасштабной изменчивостью ЭАЗО со временем и интенсивностью ЭАЗО. Исследуя воздействие климатически ключевых зон на погоду, можно выявить те причины (предикторы), которые оказывают наиболее существенное влияние на устойчивые крупномасштабные аномалии. Как уже отмечалось, к числу таких причин несомненно принадлежат аномалии температуры поверхности океана.

Конкретными целями программы «Разрезы» являются: I) исследование чувствительности атмосферы к изменениям термического режима океана в зонах активного взаимодействия океана й атмосферы; 2) оценки предсказуемости крупномасштабных характеристик общей циркуляции атмосферы (траекторий движения циклонов, муссонной циркуляции и др.), обусловленных изменчивостью процессов взаимодействия океана и атмосферы; 3) разработка и усовершенствование методов параметризации физических процессов в верхнем слое океана и в приповерхностном слое атмосферы (пограничных слоях океана и атмосферы) и др. Большое значение имеют исследования газообмена между океаном и атмосферой, направленные в первую очередь на изучение процессов переноса углекислого газа между океаном и атмосферой (включая теоретические расчеты баланса С02 в атмосфере, океане и биосфере), а также обмена кислородом.

На полигонах, выбранных в пределах различных ЭАЗО, должны осуществляться специализированные подпрограммы наблюдений с учетом специфики каждого полигона (кромка ледяного покрова, апвеллииг, аномалия ТПО, район формирования мощного течения и т. п.). В таких случаях ведущую роль приобретают специализированные комплексы аппаратуры, например для изучения турбулентности в океане и атмосфере, детальных температурных изменений в обеих средах, определения оптических и радиационных характеристик атмосферы и океана, химического состава воды: я воздуха и мн. др. Важным средством наблюдений, обеспечивающим (в дополнение к данным с судов) трехмерность получаемой информации, являются самолеты-лаборатории, работающие согласованно с судами. Спутниковые наблюдения обеспечивают «фоновые» данные для обширных регионов, окружающих изучаемый полигон. Благодаря разнообразию применяемых средств наблюдений особое значение придается метрологическим аспектам измерений и выдвигаются на передний план такие задачи, как обеспечение максимальной унификации аппаратуры, сравнимость результатов измерений, разработка методик приведения данных к эквивалентным масштабам осреднения в пространстве и времени и др.

Важными этапами осуществления программы «Разрезы» явились экспедиции на различных полигонах в пределах ЭАЗО, осуществленные в 1981 —1984 гг. таким образом, чтобы ежегодно на каждом из полигонов проводилась экспедиция в течение одного из сезонов и чтобы за четырехлетний период получить информацию, охватывающую целый годичный цикл. Первая экспедиция на Норвежском полигоне, в которой участвовало 4 судна (три из них оснащены аппаратурой аэрологического зондирования), проведена осенью 1981 г., а работы на Ньюфаундлендском полигоне начались зимой 1982 г. Естественно, что осуществление такой крупномасштабной программы, как «Разрезы», потребует больших усилий по сбору, обработке и анализу данных. В этой связи предусмотрены четкое распределение обязанностей и координации усилий экспедиционного персонала и всех специалистов, участвующих в решении задач, поставленных программой. Поскольку программа «Разрезы» станет органической составной частью Всемирной климатической программы, важную роль должно сыграть международное научное сотрудничество в выполнении этой программы.

Светило науки — 158 ответов — 5830 раз оказано помощи

Владимир Бышев, Виктор Нейман, Юрий Романов
«Природа» №8, 2016

В результате сложного взаимодействия различных компонентов климатической системы Земли, на которую влияют внешние естественные и антропогенные факторы, создается впечатление, что в окружающей среде все чаще возникает каскад природных катастроф (ураганов, наводнений, засух, смерчей, таяния льдов в Арктике и др.). Причина их зарождения во многих случаях напрямую связывается с наблюдающимся в последние десятилетия глобальным потеплением климата. Но так это или нет на самом деле, науке, как говорится, пока не ясно, хотя ей, так же как и всем непосвященным, хотелось бы знать, что происходит на Земле с погодой и чего нам ждать от окружающей среды в ближайшем будущем. Однако прежде чем пытаться искать ответ на этот непростой вопрос, надо, по-видимому, дать хотя бы краткое описание того, что происходит в настоящее время в климатической системе нашей планеты.

Кое-что о климатической системе Земли

Повышение глобальной средней температуры приповерхностного воздуха на континентах, казалось бы, должно приводить к соответствующему росту температуры поверхностного слоя океана за счет диффузионного, радиационного, а также контактного турбулентного теплообмена между водной и воздушной средами. Но при одном непременном условии — вода будет нагреваться лишь тогда, когда она изначально холоднее контактирующего с ней воздуха. Иная ситуация невозможна, ибо она противоречила бы второму началу термодинамики. В современной литературе описаны признаки роста средней температуры в верхнем слое воды Мирового океана в течение последних нескольких десятков лет [1].

С более теплой океанической поверхности растет испарение, т. е. в атмосфере увеличивается количество водяного пара — одного из основных парниковых газов. Отсюда вывод: повышение температуры верхнего слоя океана чревато усилением парникового эффекта за счет увеличения количества влаги в атмосфере с соответствующим ростом средней глобальной температуры приповерхностного воздуха. Однако увеличение количества водяного пара в атмосфере и сопутствующий рост облачности уменьшает приток тепла солнечной радиации к поверхности Земли, что сопровождается понижением температуры приповерхностного воздуха.

Предположим, что в процессе наблюдаемой короткопериодной климатической изменчивости первоначальный рост глобальной температуры приповерхностного воздуха возникает за счет повышенной теплоотдачи океана в атмосферу. Тогда начинает работать следующая цепочка событий: рост теплоотдачи океана, увеличение влажности атмосферы и облачности с последующим понижением температуры воздуха и теплоотдачи со всеми вытекающими отсюда последствиями. Можно предположить, что термодинамический баланс этих взаимосвязанных и разнонаправленных процессов должен приближаться к нулю, тем самым будет поддерживаться стабильный уровень средней глобальной температуры приземной атмосферы. Таким образом, наблюдаемый ее рост может вызываться либо несбалансированностью этих процессов вследствие проявления особенностей внутренней динамики климатической системы, либо каким-то внешним возмущающим ее фактором негеофизического происхождения (например, антропогенным эффектом или астрономическими причинами).

О том, что в природе все устроено не так просто, также свидетельствуют следы многообразной изменчивости климата на нашей планете, зафиксированные в строении слоев донных осадков морей и океанов, в структуре годовых колец многовековых деревьев и в распределении ископаемых остатков древней растительности по поверхности Земли. Все эти и многие им подобные факты, хотя и косвенно, но неопровержимо говорят о том, что задолго до начала активного загрязнения человеком окружающей среды последняя подвергалась воздействию естественных климатических катаклизмов, которые проявлялись, в частности, в виде значительных колебаний средней температуры приземного воздуха.

Насколько позволяют судить имеющиеся в распоряжении ученых соответствующие палеоданные, временные масштабы таких колебаний (порой с очень большими амплитудами) составляли от столетий до многих десятков тысяч лет. На всем протяжении длительной эволюции внутренней структуры и внешнего облика Земли мощные оледенения поверхности чередовались с повышениями температуры атмосферы и отступлениями ледников, ростом и понижением уровня Мирового океана на многие десятки метров.

В очередной раз анализируя глобальные ряды стандартных метеорологических наблюдений, накопленных в мире в течение последнего столетия, чтобы выявить источник сигнала изменчивости динамики современной климатической системы, мы решили изменить пространственный масштаб обычного осреднения исходных данных. В итоге, наряду со средними глобальными значениями приповерхностной температуры воздуха, были получены средние величины амплитуды ее внутривековых колебаний отдельно для конкретных океанических и континентальных территорий. И вот что обнаружилось.

На рис. 1 показано рассчитанное нами изменение среднегодовых аномалий приповерхностной температуры воздуха с 1900 по 2002 г. в зоне 30°–60° с. ш. и в каждом из шести секторов Северного полушария [2]. На фоне векового нелинейного тренда четко прослеживаются внутридекадные (2–8 лет) возмущения и мультидекадные квазициклические колебания с периодом 20–50 лет. Об этом неоднократно упоминалось во множестве работ, посвященных данной тематике.

Но мы обратили внимание на одно обстоятельство, которое показалось нам весьма нетривиальным. Выполненная оценка внутривековой эволюции нелинейных трендов приповерхностной температуры над океанами и континентами выявила очевидную разнонаправленность функций, описывающих эти тренды. На приведенных рисунках видно, что над сушей ветви параболических зависимостей, аппроксимируемых полиномом второй степени, — восходящие (положительный знак второй производной), а над океанами они имеют вид спадающих кривых. Это означает, что над Тихим и Атлантическим океанами рост температуры воздуха в середине 20-го столетия был выражен заметно ярче, чем над материками. В первой половине прошлого века над океанами происходило ускорение роста приземной температуры (наиболее заметное над Тихим океаном), а над материками наблюдалось замедление роста и даже некоторое понижение температуры в сибирском и европейском секторах. Во второй половине века быстрый рост температуры отмечался уже над материками, а над океанами он существенно замедлялся [3]. Этот результат может говорить только о том, что формирование внутривековой эволюции характеристик климатической системы Земли непосредственно связано с внутренним перераспределением тепловой энергии в пространственно-временной структуре взаимодействия океанов, атмосферы и суши.

Хотелось бы особо подчеркнуть концептуальную значимость данного, казалось бы, очередного проходного научного предположения. Ведь, по сути, оно в конечном счете означает, что принципиальное значение имеет не только сам изначальный источник импульса климатической изменчивости, но и отклик на него физического механизма глобальной климатической системы.

Эволюции теплового режима океана

Согласно выводам международной группы экспертов по климатическим изменениям, средняя глобальная температура на планете продолжает расти, и рост этот связан с антропогенным воздействием на климат [4]. А что при этом происходит с Мировым океаном? Как он реагирует на потепление и каким образом участвует в возможном перераспределении тепла в пределах глобальной климатической системы? Ответы на эти вопросы мы попытались получить, анализируя материалы прямых наблюдений за эволюцией термических характеристик верхнего деятельного слоя (ВДС) океана на протяжении последних 50 лет. В качестве ВДС рассматривалась верхняя толща океана (в среднем около 100 м), ниже которой сезонные изменения температуры фактически не существенны.

Была выполнена диагностика изменчивости теплосодержания верхнего 1000-метрового слоя вод для северо-западной части Тихого океана [5]. Некоторые из результатов этих исследований проиллюстрированы на рис. 2. В частности, там приведены средние вертикальные распределения температуры воды в трех разных климатических зонах: субтропической, переходной и субарктической в различные фазы климата, подробные описания которых даны в научных публикациях [6–8]. Как показал анализ термобарических индексов атмосферных процессов в Северо-Атлантическом регионе, на протяжении последнего столетия для короткопериодной изменчивости современного климата были характерны отдельные эпизоды продолжительностью 25–35 лет, которые отмечались заметным ростом приповерхностной температуры воздуха (1905–1935 гг. и 1975–1999 гг.), приостановкой этого роста (с 2000 г. и по сей день), либо некоторым ее понижением (1940–1974 гг.). Эти эпизоды, идентифицированные нами в качестве разных климатических сценариев, служат в некотором смысле показателями определенной фазовой детерминированности процесса короткопериодной эволюции современного климата, которая, по всей вероятности, связана с перераспределением тепловой энергии в системе океан — атмосфера — суша.

Анализ эволюции вертикальных распределений температуры воды (рис. 2) показывает, что за более чем полувековой интервал в области субтропических вод и вод переходной зоны происходили заметные изменения в слое 0–500 м: прогрев в 1960–1974 гг., выхолаживание в 1975–1999 гг. и вновь прогрев после 2000 г., который продолжается до сих пор. При этом заметно, что быстро прогревается только самый верхний 100-метровый слой. Ниже него температура еще не достигла значения, которое было до тепловой разгрузки океана, начавшейся в середине 70-х годов прошлого столетия.

Достоверность выявленного характера эволюции теплосодержания ВДС океана была подтверждена анализом наблюдений, выполненных ранее в том же районе в эксперименте Мегаполигон [9].

При оценке эволюции термодинамических характеристик районов океана с недостаточным количеством данных были использованы результаты численных экспериментов на основе хорошо оттестированной гидродинамической модели, созданной в Институте вычислительной математики РАН [10].

Для продвинутых читателей отметим, что эта модель относится к классу σ-моделей океана, в которых вертикальная координата масштабируется его глубиной. Прогностическими переменными служат горизонтальные компоненты вектора скорости океанских течений, потенциальная температура, соленость и отклонение уровня океана от невозмущенной поверхности. Для численной реализации модели используется метод расщепления по физическим процессам и пространственным координатам, что отличает ее от других известных моделей. В качестве граничных условий на поверхности океана задаются потоки тепла, солености и импульса. Для температуры и солености на боковых границах и дне ставится условие отсутствия нормальных по отношению к ним потоков.

Примененная в работе модель (одна из наиболее совершенных в своем роде на сегодняшний день) позволила получить данные о полувековой эволюции практически всех основных гидрофизических характеристик верхнего 1000-метрового слоя Мирового океана. Для проверки адекватности результатов численного моделирования использовались отдельные массивы данных таких крупномасштабных отечественных экспериментов в океане, как Полигон-70 (Центральная Атлантика, 1970 г.), ПОЛИМОДЕ (Западная Атлантика, 1977–1978 гг.), Мегаполигон (северная часть Тихого океана, 1987 г.) [9], АТЛАНТЭКС-90 (Атлантическая экспедиция, 1990 г.) [11–13]. Материалы этих экспериментов содержат, помимо всего прочего, информацию о фазовом состоянии климатической системы, что оказалось весьма полезным для решения основной задачи нашего исследования.

Из всего громадного объема полученных с помощью численного моделирования данных были сделаны целевые пространственно-временные выборки, анализ которых завершился получением некоторых весьма нетривиальных результатов. Вначале следует упомянуть о том, что ранее мы обнаружили признаки тесной связи мультидекадной фазовой структуры климата в Северной Атлантике с изменчивостью мощности и теплосодержания ВДС в данном регионе [6, 14]. Данный факт свидетельствует о том, что параметры временной эволюции этого слоя могут дать вполне определенное представление о качественной и количественной характеристиках изменчивости теплообмена океана с атмосферой. В свою очередь, такой вывод привел к постановке вопроса о возможном существовании вышеуказанной связи не только в региональном, но и в планетарном масштабе.

Карты топографии ВДС океана (рис. 3) дают наглядное представление о характере теплообмена между океаном и атмосферой, который имеет ярко выраженный сезонный ход. Этот факт наиболее четко иллюстрируется различиями глобальной топографии нижней границы ВДС для летнего и зимнего сезонов. Зимой в Северном полушарии фактически повсеместно в умеренных и высоких широтах (как в Тихом, так и в Атлантическом океане) мощность верхнего перемешанного слоя существенно возрастает (очевидно, в результате возникновения и развития зимней плотностной конвекции) (рис. 3, б). Принимая это во внимание, заметим, что максимальная вертикальная плотностная конвекция в океане связана лишь с определенными локализованными областями, вследствие чего пространственное распределение мощности ВДС имеет анизотропный характер. При этом надо полагать, что показанная на рисунках крупномасштабная пространственная структура перемежающейся конвекции прежде всего определяется климатическим эффектом широтной зональности.

В то же время отдельные детали этой структуры, по-видимому, обусловлены неоднородностями в поле температуры, которые определяются наличием фронтальных зон, вихревых образований, меандров течений и прочих гидрофизических аномалий, а также положением обобщенных траекторий распространения над океаном холодных арктических и континентальных воздушных масс.

Самые значимые в климатическом отношении акватории океана, где он наиболее интенсивно отдает тепло атмосфере, приурочены, как правило, к глубоководным котловинам и характеризуются наличием очагов глубокой плотностной конвекции, возникающей под термическим воздействием на океанскую поверхность холодных воздушных масс высокоширотного происхождения. Именно для таких, наиболее информативных в климатическом смысле, районов океана был выполнен анализ внутривековой эволюции теплосодержания ВДС, результаты которого мы здесь рассматриваем.

Осредненные вертикальные профили температуры в слое 0–800 м дают определенные качественные и количественные представления о произошедших изменениях. Характеристики эволюции вертикальной термической структуры вод (рис. 4) в этом слое, относящиеся к мультидекадным периодам относительного потепления и похолодания климата на континентах (рис. 1), связаны с существованием конкретных климатических сценариев 1958–1974, 1975–1999 и 2000–2006 гг. [6–8]. Это свидетельствует о том, что во второй половине ХХ в. мультидекадная изменчивость океана в одном из ключевых информативных районов Северной Атлантики характеризовалась следующими особенностями. До середины 70-х годов теплосодержание ВДС оставалось относительно высоким, т. е. в целом в предшествующий период этот слой прогревался и аккумулировал тепло. Далее, с середины 70-х и до конца 90-х годов, наблюдалось заметное понижение средней температуры ВДС, а в начале XXI столетия температура воды в нем вновь стала повышаться.

Рассматриваемый район примечателен циклическим возникновением условий, благоприятствующих формированию холодных поверхностных вод повышенной плотности. Вследствие этого эволюция полей температуры и плотности [14] позволяет сделать следующий вывод: с середины 70-х и до конца 90-х годов процесс глубокой конвекции здесь интенсифицировался, т. е. океан тогда отдавал тепло атмосфере. До и после этого периода конвекционные процессы в данном районе были ослаблены, а глубокая конвекция (судя по тем же данным) практически не возникала.

Аналогичные результаты по ВДС получены и для центральной части Северной Пацифики. На рис. 4 (внизу) видно, что до середины 70-х годов в верхнем деятельном слое этого региона наблюдался прогрев вод, затем наступило их выхолаживание, которое продолжалось примерно до начала ХХI в. Затем вновь наметилась тенденция к повышению температуры вод ВДС. Качественно и количественно фазовый характер мультидекадной эволюции термической структуры океана отчетливо иллюстрируется средними за некоторые временные интервалы вертикальными распределениями температуры в слое 0–600 м (рис. 4, б). Как уже говорилось, эти интервалы подобраны в соответствии с обнаруженной ранее фазовой структурой изменчивости современного климата в Северном полушарии [6–8].

Таким образом, ВДС (0–800 м) в Северной Атлантике с 1958 по 2006 г. и в Северной Пацифике (0–600 м) с 1948 г. по 2007 г. демонстрирует три примерно совпадающие по времени чередующиеся фазы теплонакопления и тепловой разгрузки. Причем наиболее примечательно то, что последняя фаза (1975–1999) оказалась (практически с точностью до года) одинаковой по времени в обоих океанах. Это говорит о квазисинхронности рассматриваемого глобального процесса [6–8] — того самого процесса очередного мультидекадного перераспределения тепла в климатической системе Земли, к которому привязаны по времени начало и развитие глобального потепления на континентах [4].

Модельные расчеты показали, что в период, охватывающий 1975–1999 гг., т. е. в активную фазу потепления климата на континентах, тепловая разгрузка ВДС океана происходила квазисинхронно в обоих полушариях. Специфика этого процесса в некоторых информативных районах Южного океана (например, в морях Беллинсгаузена и Уэдделла) состояла в том, что тепло к океанской поверхности поступало из подповерхностного теплого промежуточного слоя (100–600 м) в результате глубокой конвекции. Тепловая разгрузка в этом случае могла экранироваться развитием слабой положительной аномалии температуры на поверхности океана.

Наряду с глобальным характером рассматриваемой мультидекадной осцилляции теплосодержания океана (МОСТОК), нельзя не обратить внимания и на региональные особенности изменчивости температуры воды в Атлантике и в Тихом океане (рис. 4). В частности, надо отметить, что на протяжении второй половины прошлого столетия теплоотдача изменялась более существенно в Тихом океане, а теплосодержание — в Атлантике. Такое различие, по-видимому, связано с тем, что в Северной Атлантике существует глубокая (до 1000–1200 м) конвекция, а в Тихом океане более значительная плотностная стратификация препятствует развитию конвекции глубже 300–400 м. Из этого следует, что об интенсивности теплоотдачи океана в атмосферу можно судить не столько по изменению ее аномалий, сколько по сокращению теплосодержания ВДС.

Рассмотренные результаты численного моделирования, подкрепленные данными прямых измерений, свидетельствуют о том, что мультидекадная эволюция глобального климата сопровождается осцилляциями теплосодержания океана. Контрольная проверка адекватности произведенных расчетов была выполнена по данным крупномасштабных полигонных исследований для нескольких энергоактивных районов Мирового океана. Результаты расчетов и натурных экспериментов оказались в полном соответствии друг с другом [9, 15, 16].

Судя по всему, в данном процессе положительная фаза МОСТОК, относящаяся к периоду (1975–1999) тепловой разгрузки ВДС океана в умеренных широтах, соответствовала по времени известному глобальному потеплению на континентах. На основе этого факта можно высказать следующее вполне обоснованное предположение: тепло океана также вносит определенный вклад в некоторый рост средней температуры приповерхностного воздуха на континентах. В отрицательную фазу МОСТОК, когда наблюдается рост теплосодержания ВДС, в динамике климатической системы, по всей вероятности, преобладают потоки тепла противоположного направления — из атмосферы к океану. Эта фаза климата характеризуется на суше увеличением индекса континентальности, который отражает пониженную влажность атмосферы со всеми вытекающими последствиями, а также более частое появление экстремальных значений температуры приповерхностного воздуха.

***

Данные многолетних гидрологических наблюдений [5] и приведенные здесь результаты моделирования эволюции теплосодержания верхнего деятельного слоя в Мировом океане показали, что ВДС в ряде регионов испытывает квазисинхронные мультидекадные фазовые изменения, при которых наблюдаются чередующиеся эпизоды аккумуляции тепла и тепловой разгрузки океана продолжительностью 25–35 лет.

На основе этого результата можно сформулировать гипотезу, что обнаруженная мультидекадная осцилляция теплосодержания океана оказывает определенное влияние на формирование соответствующей по временному масштабу глобальной атмосферной осцилляции, которая проявляется в виде короткопериодной фазовой изменчивости современного климата в Северном полушарии [17]. Наблюдавшееся региональное выхолаживание ВДС океана в определенной фазе его термодинамического состояния, судя по всему, сопровождалось переходом океанского тепла и влаги в атмосферу, что способствовало смягчению и потеплению климата на континентах. Такой климатический сценарий выполнялся в 1975–1999 гг. и сопровождался активной фазой роста температуры приповерхностного воздуха, в частности, на Евроазиатском и Северо-Американском континентах. В то же время, в фазы МОСТОК, когда ВДС океана аккумулирует тепло, климат на материках в целом становится более континентальным, что, собственно, и происходило до середины 70-х годов прошлого века и прослеживается до сих пор. Так, гидрофизические наблюдения в океане с помощью поплавков Арго [18] позволили обнаружить рост теплосодержания ВДС в течение последнего десятилетия, что выразилось в увеличении средней температуры этого слоя со скоростью 0,005°С / год. Этот результат вполне соответствует существующему представлению о процессе современного теплонакопления океана и о замедлении потепления глобального климата на материках.

Подводя промежуточный (т. е. пока еще не окончательный) итог всему вышесказанному о возможных причинах и реально наблюдаемых проявлениях короткопериодной изменчивости современного климата, попробуем сформулировать свои представления об этом процессе в виде предварительной, но вполне определенной гипотезы, которую можно изложить следующим образом.

Основные элементы климатической системы Земли — атмосфера, океаны и материки. Динамика взаимодействия между ними непосредственно определяет естественную природную эволюцию глобального климата в соответствующих пространственно-временных масштабах.

Короткопериодная изменчивость современного климата в течение нескольких десятков лет возникает вследствие междекадных осцилляций в динамике климатической системы. Источником таких осцилляций служит квазициклический процесс теплонакопления и тепловой разгрузки океана, который сопровождается изменением направления потоков тепла между океаном и атмосферой. Потенциальным внутренним резервуаром и источником тепла, квазициклически поступающего к поверхности океана в период его тепловой разгрузки, может быть, очевидно, его относительно теплый подповерхностный слой. Оттуда тепло извлекается за счет периодически возникающей глубокой сезонной вертикальной плотностной конвекции. Каждая фаза такого климатического цикла обладает отличительными гидрометеорологическими характеристиками, которые на материках объединяются понятием «индекса континентальности». Его повышенные значения (наблюдаемые сейчас) свидетельствуют о наступлении относительно более суровых климатических условий — резкого внутригодового перепада температур и влажности воздуха, прохладных зим и жарких засушливых летних сезонов, внесезонных оттепелей и заморозков и др. Судя по всему, подобная фаза климата в Северном полушарии наступила в начале нынешнего столетия, что должно характеризоваться, в частности, ослаблением переноса океанского тепла и влаги с запада на восток из регионов Северной Атлантики и Северной Пацифики.

Литература
1. Levitus S., Antonov J. I., Boyer T. P. Global ocean heat content 1955–2008 in light of recently revealed instrumentation problems // Geophys. Res. Lett. 2008. V. 36. L07608. DOI: 10.1029/2008 GL037155.
2. Бышев В. И., Нейман В. Г., Романов Ю. А. О существенных различиях крупномасштабных изменений приземной температуры над океанами и материками // Океанология. 2006. Т. 46. № 2. С. 165–177.
3. Груза Г. В., Ранькова Э. Я., Рочева Э. В., Смирнов В. Д. Географические и сезонные особенности современного глобального потепления // Фундаментальная и прикладная океанология. 2015. Т. 2. С. 41–62.
4. The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental. Panel on Climate Change / Eds. T. F. Stocker, D. Qin, G.-K. Plattner et al. // IPCC 2013. Climate Change 2013. Cambridge, N.Y., 2013. P. 1535.
5. Бышев В. И., Фигуркин А. Л., Анисимов И. М. Современные климатические изменения термохалинной структуры СЗТО // Известия ТИНРО. 2016. Т. 185. С. 215–227.
6. Бышев В. И., Нейман В. Г., Романов Ю. А., Серых И. В. О фазовой изменчивости некоторых характеристик современного климата в регионе Северной Атлантики // Докл. PАН. 2011. Т. 438. № 6. С. 817–822.
7. Minobe S. A. 50–70 year climatic oscillation over the North Pacific and North America // Geophys. Res. Lett. 1997. V. 24. P. 683–686.
8. Wang G., Swanson K. L., Tsonis A. A. The pacemaker of major climate shifts // Geophys. Res. Lett. 2009. V. 36. L07708. DOI: 10.1029/2008 GL036874.
9. Эксперимент МЕГАПОЛИГОН. Гидрофизические исследования в северо-западной части Тихого океана. М., 1992.
10. Moshonkin S. N., Alekseev G. V., Bagno A. V. et al. Numerical simulation of the North Atlantic-Arctic Ocean — Bering Sea circulation in the 20th century // Russian Journal of Numerical Analysis and Mathematical Modeling. 2011. V. 26. № .2. Р. 161–178.
11. Атлантический гидрофизический ПОЛИГОН-70 / Ред. В. Г. Корт, В. С. Самойленко. М., 1974.
12. Atlas POLIMODE. Woods Hole, 1986.
13. Иванов Ю. А., Морозов Е. Г. Перенос вод в дельте Гольфстрима // ДАН. 1991. Т. 319. № 2. С. 487–490.
14. Анисимов М. В., Бышев В. И., Залесный В. Б., Мошонкин С. Н. Мультидекадная изменчивость термической структуры вод Северной Атлантики и ее климатическая значимость // Докл. РАН. 2012. Т. 443. № 3. C. 372–376.
15. Бышев В. И., Копрова Л. И., Навроцкая С. Е. и др. Аномальное состояние Ньюфаундлендской энергоактивной зоны в 1990 г. // ДАН. 1993. Т. 331. № 6. С. 735–738.
16. Бышев В. И., Снопков В. Г. О формировании поля температуры воды поверхности океана в энергоактивной зоне северо-западной части Тихого океана на примере полигона МЕГАПОЛИГОН // Метеорология и гидрология. 1990. № 11. С. 70–77.
17. Бышев В. И., Нейман В. Г., Романов Ю. А., Серых И. В. Глобальные атмосферные осцилляции в динамике современного климата // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2014. Т. 11. № 1. С. 62–71.
18. Roemich D., Church J., Gilson J. et al. Unabated planetary warming and its ocean structure since 2006 // Nature climate change. 2015. V. 5. P. 240–245.