Введение

Элемент изменчивости тропической атмосферы

Мадден–Юлианская осцилляция (MJO) является крупнейшим элементом внутрисезонной (30–90 дней) изменчивости в тропической атмосфере. Она была открыта в 1971 году Роландом Мэдденом и Полом Джулианом из Американского национального центра атмосферных исследований (NCAR). Это крупномасштабное взаимодействие между атмосферной циркуляцией и тропической глубокой конвекцией. В отличие от стационарной структуры, такой как Эль-Ниньо – Южная осцилляция (ENSO), Мадден–Юлианская осцилляция представляет собой движущуюся систему, распространяющуюся к востоку со скоростью примерно , через атмосферу над теплыми областями Индийского и Тихого океанов. Эта общая схема циркуляции наиболее отчетливо проявляется в виде аномальных осадков. Мадден–Юлианская осцилляция характеризуется восточным продвижением обширных областей как усиленных, так и подавленных тропических осадков, наблюдаемых преимущественно над Индийским и Тихим океанами. Аномальные осадки обычно впервые проявляются над западной частью Индийского океана и остаются заметными по мере распространения над очень теплыми водами западной и центральной тропической части Тихого океана. Этот характерный рисунок тропических осадков обычно становится менее выраженным при движении над преимущественно более холодными водами восточной части Тихого океана, но вновь появляется при прохождении над более теплыми водами у Тихоокеанского побережья Центральной Америки. Система также может периодически проявляться с малой амплитудой над тропической Атлантикой и с большей амплитудой над Индийским океаном. За фазой усиленной конвекции и осадков следует сухая фаза, когда активность гроз подавляется. Каждый цикл длится приблизительно 30–60 дней. В связи с этой закономерностью Мадден–Юлианская осцилляция также известна как 30–60-дневная осцилляция, 30–60-дневная волна или внутрисезонная осцилляция.

Поведение

Отличительные закономерности аномалий циркуляции атмосферы на нижних и верхних уровнях сопровождают связанную с MJO закономерность усиления или ослабления тропических осадков в тропиках. Эти особенности циркуляции распространяются по всему земному шару и не ограничиваются только восточным полушарием. Мадден-Джулианская осцилляция перемещается на восток со скоростью от 4 м/с (14 км/ч, 9 миль/ч) до 8 м/с (29 км/ч, 18 миль/ч) вдоль тропиков, пересекая тропическую зону Земли за 30–60 дней. Активная фаза MJO отслеживается по степени исходящего длинноволнового излучения, измеряемого инфракрасными геостационарными метеорологическими спутниками. Чем меньше исходящего длинноволнового излучения, тем интенсивнее грозовые комплексы, или конвекция, в данной области. Усиленные приповерхностные (верхнеуровневые) западные ветры наблюдаются вблизи западной (восточной) стороны активной конвекции. Океанские течения, до глубины от поверхности океана, следуют в фазе с восточной составляющей приповерхностных ветров. Перед зоной усиленной активности MJO, или к востоку от неё, ветры в верхних слоях атмосферы западные. За зоной усиленных осадков, или к западу от неё, ветры в верхних слоях атмосферы восточные. Эти изменения ветра в верхних слоях атмосферы обусловлены дивергенцией над активными грозами в фазе усиления. Её непосредственное влияние можно проследить в направлении полюсов до 30 градусов широты от экватора в обоих полушариях, распространяясь от источника вблизи экватора со скоростью около 1 градуса широты, или в день.

Неправильности

Движение МДО по всему земному шару может иногда замедляться или останавливаться летом и в начале осени Северного полушария, что приводит к устойчивому увеличению количества осадков в одной части земного шара и устойчивому уменьшению – в другой. Это также может происходить в начале года. МДО также может на некоторое время затихнуть, что приводит к отсутствию аномальной активности штормов в каждом регионе земного шара.

Связь с муссонами

В течение летнего сезона в Северном полушарии хорошо задокументированы эффекты, связанные с MJO, на индийский и западноафриканский летние муссоны. Эффекты, связанные с MJO, на североамериканский летний муссон также наблюдаются, хотя они относительно слабее. Влияние MJO на летние осадки в Северной Америке тесно связано с меридиональными (то есть север-южными) перестройками режима осадков в восточной части тропической зоны Тихого океана. Также существует сильная связь между ведущим режимом внутрисезонной изменчивости североамериканской муссонной системы, MJO и областями формирования тропических циклонов. Период потепления температуры поверхности моря отмечается за пять-десять дней до усиления осадков, связанных с MJO, в Южной Азии. Прекращение активности азиатского муссона, обычно в июле, связывают с колебанием Маддена–Джулиана после того, как его фаза усиления перемещается к востоку от региона в открытый тропический Тихий океан.

Влияние на тропический циклогенез

Тропические циклоны возникают на протяжении всего бореального теплого сезона (обычно с мая по ноябрь) как в бассейне северной части Тихого океана, так и в бассейне северной части Атлантики, однако в каждый конкретный год в течение сезона наблюдаются периоды повышенной или пониженной активности. Имеются данные, указывающие на то, что колебание Маддена–Юлиана модулирует эту активность (особенно для самых сильных штормов), создавая крупномасштабную среду, благоприятную (или неблагоприятную) для развития. Восходящие движения, связанные с MJO, не способствуют развитию тропических штормов. Однако восходящие движения, обусловленные MJO, являются благоприятной моделью для формирования гроз в тропиках, что, в свою очередь, весьма благоприятно для развития тропических штормов. По мере продвижения MJO на восток, область, наиболее благоприятная для активности тропических циклонов, также смещается на восток – от западной части Тихого океана к восточной части Тихого океана и, наконец, к бассейну Атлантики. В то же время, между активностью тропических циклонов в западной части бассейна северной части Тихого океана и бассейном северной части Атлантического океана существует обратная зависимость: когда один бассейн активен, другой обычно спокоен, и наоборот. Основной причиной этого, по-видимому, является фаза MJO, которая обычно находится в противоположных состояниях в двух бассейнах в любой момент времени. Хотя эта взаимосвязь выглядит надёжной, MJO – лишь один из многих факторов, способствующих развитию тропических циклонов. Например, температура поверхности моря должна быть достаточно высокой, а вертикальный сдвиг ветра – достаточно слабым, чтобы тропические возмущения могли формироваться и поддерживаться. Однако MJO также влияет на эти условия, способствуя или подавляя формирование тропических циклонов. MJO регулярно отслеживается Национальным ураганным центром США и Центром прогнозирования климата США в течение сезона атлантических ураганов (тропических циклонов) для прогнозирования периодов относительной активности или затишья.

Влияние на дожди в Африке

Сигнал MJO четко выражен в некоторых частях Африки, включая бассейн Конго и Восточную Африку. В течение основных сезонов дождей в Восточной Африке (с марта по май и с октября по декабрь) количество осадков, как правило, ниже, когда конвективное ядро MJO находится над восточной частью Тихого океана, и выше, когда конвекция достигает пика над Индийским океаном. Во время "влажных" фаз нормальные восточные ветры ослабевают, а во время "сухих" фаз – усиливаются. Увеличение частоты фаз MJO с конвективной активностью над восточной частью Тихого океана могло способствовать наблюдаемому тренду к засухе в бассейне Конго в последние десятилетия.

Связь с Эль-Ниньо-Южным колебанием

Существует сильная из года в год (междугодовая) изменчивость активности Маддена – Джулиана, с длительными периодами высокой активности, за которыми следуют периоды, когда колебание слабое или отсутствует. Эта междугодовая изменчивость МДО частично связана с циклом Эль-Ниньо – Южной осцилляции (ENSO). В Тихом океане сильная активность MJO часто наблюдается за 6–12 месяцев до начала эпизода Эль-Ниньо, но практически отсутствует во время максимумов некоторых эпизодов Эль-Ниньо, в то время как активность MJO обычно выше во время эпизода Ла-Нинья. Мощные события в осцилляции Маддена – Джулиана, продолжающиеся несколько месяцев в западной части Тихого океана, могут ускорить развитие Эль-Ниньо или Ла-Нинья, но обычно сами по себе не приводят к началу тёплого или холодного события ENSO. Однако наблюдения показывают, что Эль-Ниньо 1982–1983 годов быстро развился в июле 1982 года в прямой ответ на волну Кельвина, вызванную событием MJO в конце мая. Более того, изменения в структуре MJO, связанные с сезонным циклом и ENSO, могут способствовать более значительному влиянию MJO на ENSO. Например, поверхностные западные ветры, связанные с активной конвекцией MJO, усиливаются при продвижении к Эль-Ниньо, а поверхностные восточные ветры, связанные с подавленной конвективной фазой, усиливаются при продвижении к Ла-Нинья. В глобальном масштабе междугодовая изменчивость МДО в большей степени определяется внутренней динамикой атмосферы, чем условиями на поверхности.

Зимние осадки в Северной Америке

Наиболее сильное влияние внутрисезонной изменчивости на Соединенные Штаты наблюдается в зимние месяцы на западе США. В течение зимы этот регион получает большую часть годовых осадков. Штормы в этом регионе могут длиться несколько дней и более, и часто сопровождаются устойчивыми особенностями атмосферной циркуляции. Особую тревогу вызывают экстремальные осадки, связанные с наводнениями. Веские доказательства указывают на связь между погодой и климатом в этом регионе, что подтверждается исследованиями, связывающими южное колебание Эль-Ниньо с региональной изменчивостью осадков. В тропической части Тихого океана зимы со слабыми или умеренными эпизодами холода, или Ла-Нинья, или нейтральными условиями ENSO часто характеризуются повышенной 30-60-дневной активностью колебаний Маддена–Джулиана. Примером является зима 1996–1997 годов, отмеченная сильными наводнениями в Калифорнии и на Северо-Западе Тихого океана (оценочный ущерб составил 2,0–3,0 млрд долларов на момент события) и очень активным MJO. Такие зимы также характеризуются относительно небольшими аномалиями температуры поверхности моря в тропической части Тихого океана по сравнению с более сильными теплыми и холодными эпизодами. В эти зимы связь между событиями MJO и экстремальными осадками на западном побережье более выражена.

События "Ананас Экспресс"

Типичный сценарий, связывающий структуру тропических осадков, связанную с MJO, с экстремальными осадками на северо-западе Тихого океана, характеризуется прогрессирующей (то есть движущейся на восток) схемой циркуляции в тропиках и ретроградной (то есть движущейся на запад) схемой циркуляции в средних широтах Северной части Тихого океана. Типичные зимние погодные аномалии, предшествующие сильным осадкам на северо-западе Тихого океана, следующие: за 7–10 дней до сильных осадков: интенсивные тропические осадки, связанные с MJO, смещаются на восток от восточной части Индийского океана к западной тропической части Тихого океана. Шлейф влаги простирается на северо-восток от западной тропической части Тихого океана в район Гавайских островов. Сильный блокирующий антициклон расположен в Аляскинском заливе, с мощным полярным струйным течением, огибающим его северный фланг. Сообщалось об обнаружении устойчивых, долгоживущих, медленно движущихся на восток крупномасштабных когерентных двойных циклонов, так называемых экваториальных модонов, с использованием влажной конвективной вращающейся модели мелкой воды. Наиболее общие баротропные характеристики MJO, такие как распространение на восток вдоль экватора, медленная фазовая скорость, гидродинамически когерентная структура и зона схождения влажной конвекции, воспроизводятся модоном Ростами и Цайтлина. Наличие точного решения для линий тока во внутренних и внешних областях экваториального асимптотического модона является еще одной особенностью этой структуры. Показано, что такие когерентные диполярные структуры, движущиеся на восток, могут формироваться в процессе геострофической адаптации локализованных крупномасштабных аномалий давления в диабатической влажной конвективной среде на экваторе.

Создание структуры, подобной МДО, путем геострофической корректировки в нижней тропосфере

В 2020 году исследование показало, что процесс релаксации (корректировки) локализованных крупномасштабных аномалий давления в нижней экваториальной тропосфере генерирует структуры, сильно напоминающие события Маддена-Джулиана (MJO), что проявляется в полях вихрености, давления и влажности. Действительно, было продемонстрировано, что бароклиничность и влажная конвекция существенно изменяют сценарий квазибаротропной "сухой" корректировки, установленный в рамках модели мелководной воды с одним слоем, который в секторе длинных волн заключается в излучении экваториальных волн Россби с диполярной меридиональной структурой, направленных на запад, и экваториальных волн Кельвина, направленных на восток. Если влажная конвекция достаточно сильна, диполярная циклоническая структура, возникающая в процессе корректировки как ответная реакция волны Россби на возмущение, трансформируется в когерентную модонную структуру в нижнем слое, которая связывается с бароклинической волной Кельвина через зону усиленной конвекции и на начальных этапах процесса создает самоподдерживающийся, медленно распространяющийся на восток зонально диссимметричный квадрупольный вихревой паттерн. В 2022 году Ростами и др. развили свою теорию. Используя новую многослойную псевдоспектральную модель конвективной теплой вращающейся мелководной воды (mcTRSW) на полной сфере, они представили возможный механизм экваториальной корректировки, выходящий за рамки механизма Гилла, для генезиса и динамики MJO. Согласно этой теории, структура, подобная MJO, распространяющаяся на восток, может генерироваться самоподдерживающимся и самодвижущимся образом за счет нелинейной релаксации (корректировки) крупномасштабной положительной аномалии плавучести, аномалии пониженной плавучести или их комбинации, как только эта аномалия достигает критического порога в присутствии влажной конвекции на экваторе. Этот эпизод, подобный MJO, обладает конвективно связанной "гибридной структурой", состоящей из "квазиэкваториального модона" с усиленной парой вихрей и конвективно связанной бароклинической волны Кельвина (BKW) с большей фазовой скоростью, чем у диполярной структуры на внутрисезонном временном масштабе. Взаимодействие BKW, после обхода экватора, с новой крупномасштабной аномалией плавучести может способствовать возбуждению рекуррентной генерации следующего цикла структуры, подобной MJO. В целом, сгенерированная "гибридная структура" отражает некоторые из наиболее грубых характеристик MJO, включая его квадрупольную структуру, конвективную активность, паттерны конденсации, поле вихрености, фазовую скорость, а также западные и восточные притоки в нижней и верхней тропосфере. Хотя конвекция, подпитываемая влагой, является необходимым условием для возбуждения и поддержания "гибридной структуры" в предложенной теории, она принципиально отличается от конвекции в режиме влажности. Это связано с тем, что баротропный экваториальный модон и BKW также существуют в "сухих" условиях, в то время как в теориях влажного режима нет аналогичных "сухих" динамических базовых структур. Предлагаемая теория может служить возможным механизмом для объяснения генезиса и основной структуры MJO и для сближения некоторых теорий, которые ранее казались расходящимися.

Влияние изменения климата на МОУ

МДО проходит расстояние 12 000–20 000 км над тропическими океанами, преимущественно над теплой зоной Индо-Тихоокеанского бассейна, где температура океана обычно превышает 28 °C. Эта теплая зона Индо-Тихоокеанского бассейна быстро нагревается, изменяя время пребывания МДО над тропическими океанами. Хотя общая продолжительность жизни МДО остается в пределах 30–60 дней, время его пребывания сократилось в Индийском океане на 3–4 дня (со среднего значения 19 дней до 15 дней) и увеличилось на 5–6 дней в западной части Тихого океана (со среднего значения 18 дней до 23 дней). Это изменение времени пребывания МДО повлияло на режим выпадения осадков во всем мире.