Кіріспе

Тропикалық атмосфераның өзгермелі элементі

Мадден-Жулиан тербелісі (MJO) тропикалық атмосферадағы маусымдық (30-дан 90 күнге дейін) өзгермеліліктің ең ірі элементі болып табылады. Оны 1971 жылы Американың Атмосфералық зерттеулер ұлттық орталығының (NCAR) Роланд Мадден мен Пол Джулиан ашқан. Бұл атмосфералық айналым мен тропикалық атмосфераның терең конвекциясы арасындағы ірі масштабты байланыс. Эль-Ниньо-Оңтүстік тербелісі (ENSO) сияқты тұрақты үлгіден өзгеше, Мадден-Жулиан тербелісі – Үнді және Тынық мұхиттарының жылы бөліктерінің үстінен шамамен жылдамдықпен шығысқа қарай таралатын жылжымалы үлгі. Бұл жалпы айналым үлгісі ең анық аномальды жауын-шашын ретінде көрінеді. Мадден-Жулиан тербелісі, негізінен Үнді және Тынық мұхиттарында байқалатын, күшейтілген және әлсіретілген тропикалық жауын-шашынның үлкен аймақтарының шығысқа қарай жылжуымен сипатталады. Аномальды жауын-шашын әдетте алғаш рет Үнді мұхитының батысында байқалады және батыс және орталық тропикалық Тынық мұхитының өте жылы суларынан өтетін кезінде де байқалады. Бұл тропикалық жауын-шашын үлгісі, әдетте, Тынық мұхитының шығысындағы салқынырақ сулардан өтетін кезде анықталмайды, бірақ Орталық Американың Тынық мұхиты жағалауындағы жылы сулардан өтетін кезде қайта пайда болады. Бұл үлгі кейде Атлант мұхитының тропикалық бөлігінде төмен амплитудамен, ал Үнді мұхитында жоғары амплитудамен қайта пайда болуы мүмкін. Күшейтілген конвекция мен жауын-шашынның ылғалды фазасы құрғақ фазаны ұстанады, онда найзағай белсенділігі басылады. Әрбір цикл шамамен 30–60 күнге созалады. Осы ерекшелігіне байланысты Мадден-Жулиан тербелісі 30–60 күндік тербеліс, 30–60 күндік толқын немесе маусымдық тербеліс деп те аталады.

Мінез-құлық

Төменгі және жоғарғы деңгейдегі атмосфералық циркуляция аномалияларының айқын үлгілері тропиктерде тропикалық жауын-шашынның артуы немесе азаюымен байланысты MJO үлгісімен бірге жүреді. Бұл циркуляциялық ерекшеліктер бүкіл дүниежүзіне таралады және тек шығыс жартышарымен ғана шектелмейді. Мадден-Жулиан тербелісі тропиктерде 4 м/с (14 км/сағ, 9 миль/сағ) және 8 м/с (29 км/сағ, 18 миль/сағ) аралығында шығысқа қарай жылжиды, Жердің тропиктерін 30-60 күнде кесіп өтеді. MJO-ның белсенді фазасы инфрақызыл сезімталдықпен өлшенетін, шығып жатқан ұзын толқынды сәулеленудің дәрежесімен қадағаланады, бұл өлшемдер геостационарлық ауа райы спутниктері арқылы жүзеге асырылады. Шығып жатқан ұзын толқынды сәулеленудің мөлшері неғұрлым аз болса, сол аймақтағы найзағай жиынтығы немесе конвекция соғұрлым күшті болады. Күшейтілген конвекцияның батыс (шығыс) жағында күшті батыстан соққан желдер байқалады. Мұхит ағындары, мұхит бетінен бірнеше метр тереңдікке дейін, жер бетіндегі желдің шығыс компонентімен синхронды түрде қозғалады. MJO белсенділігі алдында, яғни шығысында, желдер батыстан соғады. Оның артынан, яғни жауын-шашынның күшейген аймағының батысына қарай, желдер шығыстан соғады. Бұл желдің жоғарыдағы өзгеруі күшейтілген фазадағы белсенді найзағайлардағы дивергенцияға байланысты. Оның тікелей әсерін солтүстік және оңтүстік жарты шарларда экватордан 30 градус ендікке дейін полюске қарай бақылауға болады, экваторға жақын бастапқы орнынан сыртқа қарай тәулігіне шамамен 1 градус ендікпен таралады.

Қателіктер

МЖО-ның жер шары бойынша қозғалысы Солтүстік жарты шардағы жаз және күздің басында кейде баяулауы немесе тоқтауы мүмкін, соның салдарынан жер шарының бір жағында жауын-шашын мөлшері үнемі артуы, ал екінші жағында үнемі азаюы мүмкін. Мұндай жағдай жыл басында да кездеседі. МЖО белгілі бір кезеңде әрекетсіз күйге түсуі де мүмкін, бұл жер шарының әр аймағында қалыпты дауылдық белсенділікке алып келеді.

Муссонмен байланыс

Солтүстік жарты шардағы жазғы маусымда МЖО-ның Үндістан және Батыс Африканың жазғы муссондарына тигізетін әсері жақсы зерттелген. Солтүстік Американың жазғы муссонына МЖО-ның әсері де байқалады, бірақ ол салыстырмалы түрде әлсіз. Солтүстік Американың жазғы жауын-шашын үлгілеріне МЖО-ның әсері, шығыс тропикалық Тынық мұхитындағы жауын-шашын үлгісінің меридиандық (яғни солтүстік-оңтүстік) өзгерістерімен тығыз байланысты. Солтүстік Америка муссондық жүйесінің маусымдық өзгеруінің басты режимі, МЖО және тропикалық дауылдардың пайда болатын жерлері арасында да берік байланыс бар. Оңтүстік Азияда МЖО-ға байланысты жауын-шашынның күшеюіне бес-он күн бұрын теңіз бетінің температурасының жоғарылауы байқалады. Азия муссонындағы тоқтау, әдетте шілде айында, Мадден-Жулиан осцилляциясының күшейген фазасы аймақтан шығысқа қарай, ашық тропикалық Тынық мұхитына жылжығаннан кейін пайда болады деп есептеледі.

Тропикалық циклогениске әсері

Тропикалық циклондар солтүстік Тынық мұхиты мен солтүстік Атлантика бассейндерінде жылы маусым бойы (әдетте мамыр-қараша) пайда болады, бірақ әрбір жылы маусым ішінде белсенділіктің артуы немесе төмендеуі байқалады. Дәлелдер Мадден-Жулиан тербелісінің осы белсенділікті (әсіресе ең күшті дауылдар үшін) дамуға қолайлы (немесе қолайсыз) жағдай жасайтын кең ауқымды ортаны қамтамасыз ету арқылы реттейтінін көрсетеді. MJO-мен байланысты төмен қарайтын қозғалыс тропикалық дауылдың дамуына қолайлы емес. Дегенмен, MJO-мен байланысты жоғары қарайтын қозғалыс тропиктерде найзағайдың қалыптасуына қолайлы жағдай тудырады, бұл тропикалық дауылдың дамуы үшін өте жақсы. MJO шығысқа қарай жылдамдықпен қозғалғанда, тропикалық циклонның белсенділігіне қолайлы аймақ та батыс Тынық мұхитынан шығыс Тынық мұхитына және соңында Атлантика бассейніне қарай жылжиды. Алайда, батыс Солтүстік Тынық мұхиты бассейніндегі тропикалық циклондық белсенділік пен Солтүстік Атлантика бассейні арасында кері байланыс бар. Бір бассейн белсенді болса, екіншісі көбінесе тыныш болады, және керісінше. Мұның басты себебі – MJO фазасы, ол әдетте екі бассейнде кез келген уақытта қарама-қарсы күйде болады. Бұл байланыс тұрақты болғанымен, MJO тропикалық циклонның дамуына әсер ететін көптеген факторлардың бірі ғана. Мысалы, теңіз бетінің температурасы жеткілікті түрде жылы болуы керек және тропикалық бұзылыстардың қалыптасуы мен сақталуы үшін желдің тік градиенті жеткілікті түрде әлсіз болуы керек. Алайда, MJO осы жағдайларға да әсер етеді, тропикалық циклонның қалыптасуына көмектеседі немесе оны тежейді. MJO Атлантикадағы дауыл (тропикалық циклон) маусымында салыстырмалы белсенділік немесе белсенділіксіз кезеңдерді болжауға көмектесу үшін АҚШ Ұлттық дауыл орталығы және АҚШ Климатты болжау орталығы тарапынан үнемі бақыланады.

Африкадағы жауын-шашынға әсері

MJO сигналы Африканың кейбір аймақтарында, оның ішінде Конго бассейні мен Шығыс Африкада анық байқалады. Шығыс Африкадағы маусымдық жаңбырдың белсенді кезеңдерінде (наурыз-мамыр және қазан-желтоқсан) МЖО конвекциялық орталығы Тынық мұхитының шығысында орналасқанда жауын-шашын азаяды, ал Үнді мұхитында конвекция күшті болғанда жауын-шашын артады. «Жылдам» фазаларда әдеттегі шығыс желдері әлсірейді, ал «баяу» фазаларда шығыс желдері күшейеді. Тынық мұхитының шығысында конвективті белсенділікпен байланысты МЖО фазаларының жиілігінің артуы соңғы онжылдықтарда Конго бассейнінде байқалған құрғау тенденциясына себеп болуы мүмкін.

Эль-Ниньо-Оңтүстік тербелісімен байланыс

Мадден-Жулиан тербелісінің жыл сайынғы (жылдар аралығындағы) айтарлықтай өзгерісі бар, одан кейін ұзақ уақыт бойы күшті белсенділік пен тербелістің әлсіз немесе толыққанды жоқ кезеңдері кезектеседі. МЖО-ның жылдар аралығындағы өзгерісі ішінара Эль-Ниньо-Оңтүстік тербелісі (ENSO) циклымен байланысты. Тынық мұхитында Эль-Ниньо эпизодының басталуына 6-12 ай бұрын күшті МЖО белсенділігі жиі байқалады, бірақ кейбір Эль-Ниньо эпизодтарының ең жоғары нүктесінде ол дерлік байқалмайды, ал МЖО белсенділігі Ла-Нинья эпизоды кезінде әдетте жоғары болады. Батыс Тынық мұхитында бірнеше ай бойы күшті МЖО оқиғалары Эль-Ниньо немесе Ла-Ниньяның дамуын жеделдете алады, бірақ әдетте олар өздері жылы немесе суық ENSO оқиғасының басталуына себеп болмайды. Дегенмен, бақылаулар 1982-1983 жылдардағы Эль-Ниньоның 1982 жылдың шілдесінде мамыр айының соңында МЖО оқиғасынан туындаған Келвин толқынына тікелей жауап ретінде жылдам дамығанын көрсетеді. Сонымен қатар, МЖО құрылымындағы маусымдық циклға және ENSO-ға байланысты өзгерістер МЖО-ның ENSO-ға тигізетін әсерін күшейтуі мүмкін. Мысалы, белсенді МЖО конвекциясымен байланысты беткі батыс желдері Эль-Ниньоға қарай жылжу кезінде күштірек, ал конвекциялық фазаның әлсіреуімен байланысты беткі шығыс желдері Ла-Ниньяға қарай жылжу кезінде күштірек болады. Жалпы алғанда, МЖО-ның жылдар аралығындағы өзгерісіне жер бетіндегі жағдайларға қарағанда атмосфераның ішкі динамикасы көбірек әсер етеді.

Солтүстік Америкадағы қысқы жауын-шашын

АҚШ-та маусымдық өзгерудің ең күшті әсері қыс айларында АҚШ-тың батысында байқалады. Қыс мезгілінде бұл аймақ жылдық жауын-шашынның көп бөлігін алады. Бұл аймақтағы дауылдар бірнеше күнге немесе одан да ұзаққа созылуы мүмкін және көбінесе атмосфералық айналымның тұрақты ерекшеліктерімен бірге жүреді. Су тасқынына әкеп соқтыратын ауыр жауын-шашын оқиғалары ерекше алаңдау тудырады. Эл-Ниньоның оңтүстік тербелісі мен аймақтық жауын-шашын өзгерулері арасындағы байланысты зерттеулер, осы аймақтағы ауа райы мен климат арасындағы байланыстың мықты дәлелдерін көрсетеді. Тропикалық Тынық мұхитында әлсіз немесе орташа суық, яки Ла-Нинья эпизодтары немесе ENSO бейтарап жағдайлары кезінде 30-60 күндік Мадден-Жулиан тербелісінің белсенділігі күшейеді. Соңғы мысал – 1996-1997 жылдардағы қыс, онда Калифорнияда және Тынық мұхитының солтүстік-батыс жағалауында ауыр су тасқыны болды (оқиға кезінде келтірілген зиян шамамен 2,0-3,0 миллиард долларға бағаланды) және MJO өте белсенді болды. Мұндай қыстарда тропикалық Тынық мұхитында теңіз беті температурасының аномалиясы күшті жылы және суық эпизодтарға қарағанда салыстырмалы түрде аз болады. Осы қыстарда MJO оқиғалары мен Батыс жағалаудағы ауыр жауын-шашын оқиғалары арасындағы байланыс күшейеді.

Pineapple Express оқиғалары

ТМЖ-мен байланысты тропикалық жауын-шашын үлгісін Тынық мұхитының солтүстік-батысындағы суық ағымдармен байланыстыратын әдеттегі сценарий тропиктерде прогрессивті (яғни шығысқа қарай жылжитын) айналым үлгісін және Солтүстік Тынық мұхитының орташа ендіктерінде ретроградты (яғни батысқа қарай жылжитын) айналым үлгісін көрсетеді. Тынық мұхитының солтүстік-батысындағы қатты жауын-шашын оқиғаларына дейінгі қысқы ауа райының ерекшеліктері мынадай:
Қатты жауын-шашын оқиғасына дейін 7–10 күн бұрын: ТМЖ-мен байланысты қатты тропикалық жаңбыр Үнді мұхитының шығысынан батыс тропикалық Тынық мұхитына қарай жылжиды. Ылғалды ағын батыс тропикалық Тынық мұхитынан солтүстік-шығысқа қарай, Гавай аралдарының аймағына қарай созылады. Аляска шығанағында күшті тоқтаушы антициклон орналасқан, оның солтүстік жағында күшті полярлық қанағат ағыны бар. Ылғалды конвективті айналатын терең емес су моделі арқылы тұрақты, ұзақ өмір сүретін, баяу шығысқа қарай жылжитын экваторлық модон деп аталатын ірі масштабты үйлесімді екі циклдың табылуы туралы хабарланды. МЖО-ның ең қарапайым баротроптық ерекшеліктері, мысалы, экватор бойындағы шығысқа қарай таралу, баяу фазалық жылдамдық, гидродинамикалық үйлесімді құрылым, ылғалды конвекцияның жинақталу аймағы Ростами мен Цайтлиннің модонымен қамтылған. Экваторлық асимптотикалық модонның ішкі және сыртқы аймақтары үшін ағын сызықтарының нақты шешімін табу осы құрылымның тағы бір ерекшелігі болып табылады. Мұндай шығысқа қарай жылжитын когерентті диполярлық құрылымдар экватордағы диабетикалық ылғалды конвекциялық ортада локальді ірі масштабтағы қысым аномалияларының геострофиялық түзетуі кезінде пайда болуы мүмкін екені көрсетілді.

Төменгі тропосферада геострофиялық түзету арқылы МЖО-ға ұқсас құрылымның пайда болуы

2020 жылы жасалған зерттеу экваторлық тропосфераның төменгі қабатындағы жергілікті масштабтағы қысым аномалияларының релаксация (реттелу) процесінің, бұрқасындылық, қысым және ылғал өрістерінде байқалатын Madden Julian Oscillation (MJO) құбылыстарына өте ұқсас құрылымдар тудыратындығын көрсетті. Шындығында, бароклиникалық жағдайлар мен ылғалды конвекция бір қабатты жай су моделі шеңберінде құрылған «құрғақ» квазибаротроптық түзету сценарийін едәуір өзгертеді деген қорытындыға келді. Егер ылғалды конвекция жеткілікті күшті болса, реттелу процесінде Россби толқынының бұзылысына жауап ретінде пайда болатын диполярлы циклоникалық құрылым, төменгі қабатта күшейтілген конвекция аймағы арқылы бароклиникалық Кельвин толқынымен байланысып, өзін-өзі сақтайтын, баяу шығысқа қарай таралатын, аймақтық диссимметриялық төртполярлық шұңқырлық үлгіге айналады. 2022 жылы Ростами және әріптестері бұл теорияны дамытты. Толық сферадағы жаңа көп қабатты псевдоспектрлік ылғалды конвективті термиялық айналмалы жай су (mcTRSW) моделін пайдалана отырып, олар МЖО-ның пайда болуы мен динамикасы үшін Гилл механизмінен асып түсетін экваторлық түзетудің мүмкіндігін ұсынды. Бұл теорияға сәйкес, шығысқа қарай таралатын МЖО-ға ұқсас құрылым, экватордағы ылғалды конвекцияның қатысуымен осы аномалияның белгілі бір шегіне жеткенде, үлкен ауқымды оң жүзу күшінің аномалиясының, теріс аномалияның немесе олардың комбинациясының сызықтық емес релаксациясы (реттелуі) арқасында өзін-өзі сақтап, өзін-өзі қозғалта алады. Бұл МЖО-ға ұқсас эпизод конвективті байланысқан «гибридтік құрылымға» ие, ол күшейтілген айналым жұбымен «экваторлық модоннан» және маусымдық уақыт шкаласында диполярлық құрылымнан жоғары фазалық жылдамдыққа ие конвективті байланысқан бароклиникалық Кельвин толқынынан (BKW) тұрады. BKW экватордың айналасын айналып өткеннен кейін жаңа үлкен ауқымды жүзу күшінің аномалиясымен өзара әрекеттесуі МЖО-ға ұқсас құрылымның келесі циклінің қайта жасалуына ықпал етуі мүмкін. Жалпы алғанда, құрылған «гибридтік құрылым» МЖО-ның негізгі ерекшеліктерін қамтиды, оның ішінде төртполярлық құрылымы, конвективті белсенділігі, конденсация үлгілері, бұрқасындылық өрісі, фазалық жылдамдығы және төменгі және жоғарғы тропосферадағы батыс және шығыс ағындары. Баротроптық экваторлық модон мен BKW «құрғақ» ортада да бар болғанымен, ылғалды режимдегі теорияларда мұндай «құрғақ» динамикалық негізгі құрылымдар жоқ. Ұсынылған теория МЖО-ның пайда болуы мен негізгі құрылымын түсіндіруге, сондай-ақ бұрын әртүрлі болып көрінген теорияларды біріктіруге мүмкіндік беретін механизм болуы мүмкін.

Климаттың өзгеруінің МОЖ-ға әсері

МЖО тропикалық мұхиттарда, негізінен Үнді-Тынық мұхитының жылы бассейнінде, мұхит температурасы әдетте 28 °C-тан жоғары болатын аймақта 12 000–20 000 км қашықтыққа жылдам қозғалады. Бұл Үнді-Тынық мұхитының жылы бассейні жылдам қызуда, бұл тропикалық мұхиттарда МЖО-ның қалқып жүру уақытын өзгертуде. МЖО-ның жалпы өмір сүру мерзімі 30–60 күндік аралықта сақталып тұрса да, оның Үнді мұхитындағы қалқып жүру уақыты 3–4 күнге қысқарды (орташа 19 күннен 15 күнге дейін), ал Батыс Тынық мұхитында 5–6 күнге ұзақты (орташа 18 күннен 23 күнге дейін). МЖО-ның қалқып жүру уақытының осы өзгерісі әлем бойынша жауын-шашын үлгілерін өзгертіп отыр.