ЭКОЛОГИЯ / #1_2022
Там, где топчется ветер
Беседовала Ирина ДОРОХОВА / Фото: Росатом
Еще два года назад заведующий отделом мониторинга и вероятностного прогноза климата ФГБУ «Институт глобального климата и экологии им. Ю. А. Израэля» Михаил Бардин отмечал, что в Северном полушарии стали чаще возникать меридиональные ветра, переносящие холодный воздух из Арктики в теплые регионы, а жаркий воздух пустынь — в умеренные широты. В прошлом году мир видел, как замерзал Техас; в этом году в Греции и Саудовской Аравии шел снег, а Европа, Москва и даже Якутия плавились от жары. «Атомный эксперт» решил выяснить, как возникают меридиональные ветра и чего от них ждать.
Михаил Юрьевич, верно ли, что тенденция к увеличению числа сильных меридиональных ветров продолжается и, возможно, даже усиливается?
Да, у нас есть основания предполагать, что тенденция эта сохранится.
Почему?
Для начала разберемся, как устроена планетарная атмосферная циркуляция, то есть статистический режим ветров, в умеренных широтах Северного полушария. Из-за разности температур на экваторе и Северном полюсе воздух перемещается вдоль меридианов. Однако вращение Земли отклоняет ветры в западном направлении. Поэтому в среднем здесь преобладают ветры, направленные с запада на восток — это так называемый западный перенос. И чем больше разность температур на экваторе и Северном полюсе, тем сильнее зональный (вдоль кругов широт) перенос воздушных масс. Однако вследствие глобального потепления средняя температура в полярной области повышается значительно быстрее, чем в тропиках, разность температур между экватором и полюсом уменьшается, поэтому западный перенос ослабляется, на нем легче образуются такие волны, или меандры, где ветер имеет значительную меридиональную составляющую (см. схему).
Это явление сильнее проявляется зимой, когда западный перенос сильнее, но и летом его влияние ощутимо. К тому же летом добавляются другие факторы, влияние которых, вероятно, более значительно.
Какие?
Помимо основного западного переноса существуют региональные системы циркуляции. Например, так называемое Североатлантическое колебание (САК, или NAO). Это колебания давления между (квази)постоянной областью низкого давления на севере Атлантики (Исландским минимумом) и областью высокого давления на юге (Азорским антициклоном). Они меняют направление основного переноса над Атлантикой. В сильной фазе САК, когда Исландский минимум углубляется и растет давление в Азорском антициклоне, основной перенос усиливается и приобретает значительную меридиональную составляющую. Проще говоря, ветра дуют на северо-восток. А в слабой фазе перенос зональный и более слабый.
Изменения САК периодические, с длиной периода в несколько десятилетий. В частности, в начале глобального потепления (середина 1970‑х — середина 1990‑х) САК постоянно усиливалось. Одним из следствий стало значительное потепление зим в западных районах России. Затем САК стало ослабляться, и зимы похолодали. Это происходило до 2010 года. После этого САК снова стало быстро расти, а зимы — теплеть. Но мы пока не знаем точно, связаны ли изменения САК с глобальным потеплением.
А на летние колебания температур САК влияет?
На летнюю погоду оказывают влияние другие системы. Например, для территории России важна система ВА/ЗР (Восточная Атлантика — Запад России). Это колебания давления между востоком Северной Атлантики и Европейской Россией. Положительной называется фаза, в которой повышается давление на востоке СА, а в ЕР (Европейской России) понижается. В отрицательной фазе — всё наоборот. Так вот, в отрицательной фазе этой системы над ЕР наблюдается область повышенного давления; кроме того, резко растут частота и продолжительность блокирующих антициклонов, то есть тех, которые не сдвигаются на восток, а «топчутся на месте». Такие антициклоны вызывают меридиональные ветры: в западной части антициклона они направлены с юга на север, в восточной — в обратную сторону.
Из-за того, что блокирующие антициклоны не пускают в Россию циклоны, приносящие прохладный влажный воздух с Северной Атлантики, летом устанавливается жаркая сухая погода. Яркий пример — 2010 год. Тогда мы наблюдали в европейской части России три таких эпизода, примерно по две недели каждый. Во время всех трех эпизодов стояли небывалая жара и засуха. Вот фрагмент одного из них: здесь цветные изолинии соответствуют линиям, вдоль которых дует ветер в свободной атмосфере (в приземном слое из-за рельефа и неравномерного нагрева он значительно более хаотичен), крестик — центр блокирующего антициклона, он окружен замкнутыми изолиниями. Этот блокинг просуществовал с середины 20‑х чисел июля почти до середины августа; после этого он разрушился, и ветер стал дуть почти зонально, то есть вдоль круга широты.
Расскажите, пожалуйста, поподробнее о блокировании. Почему антициклоны «топчутся»?
Блокирования — это стационарные системы. Волны, или меандры, о которых я говорил выше, — чередования «гребней» (они торчат вверх, на север, это антициклонические области) и «провалов» (на юг, это циклонические области) — как бы наезжают друг на друга. Это может происходить, например, потому, что они тормозятся меридиональным горным хребтом. В России это Урал, в Северной Америке — Скалистые горы, там блокирования выражены еще сильнее. В таких условиях антициклоны и циклоны не дают друг другу смещаться на восток, образуется что-то вроде стоячей волны.
Да, у нас есть основания предполагать, что тенденция эта сохранится.
Почему?
Для начала разберемся, как устроена планетарная атмосферная циркуляция, то есть статистический режим ветров, в умеренных широтах Северного полушария. Из-за разности температур на экваторе и Северном полюсе воздух перемещается вдоль меридианов. Однако вращение Земли отклоняет ветры в западном направлении. Поэтому в среднем здесь преобладают ветры, направленные с запада на восток — это так называемый западный перенос. И чем больше разность температур на экваторе и Северном полюсе, тем сильнее зональный (вдоль кругов широт) перенос воздушных масс. Однако вследствие глобального потепления средняя температура в полярной области повышается значительно быстрее, чем в тропиках, разность температур между экватором и полюсом уменьшается, поэтому западный перенос ослабляется, на нем легче образуются такие волны, или меандры, где ветер имеет значительную меридиональную составляющую (см. схему).
Это явление сильнее проявляется зимой, когда западный перенос сильнее, но и летом его влияние ощутимо. К тому же летом добавляются другие факторы, влияние которых, вероятно, более значительно.
Какие?
Помимо основного западного переноса существуют региональные системы циркуляции. Например, так называемое Североатлантическое колебание (САК, или NAO). Это колебания давления между (квази)постоянной областью низкого давления на севере Атлантики (Исландским минимумом) и областью высокого давления на юге (Азорским антициклоном). Они меняют направление основного переноса над Атлантикой. В сильной фазе САК, когда Исландский минимум углубляется и растет давление в Азорском антициклоне, основной перенос усиливается и приобретает значительную меридиональную составляющую. Проще говоря, ветра дуют на северо-восток. А в слабой фазе перенос зональный и более слабый.
Изменения САК периодические, с длиной периода в несколько десятилетий. В частности, в начале глобального потепления (середина 1970‑х — середина 1990‑х) САК постоянно усиливалось. Одним из следствий стало значительное потепление зим в западных районах России. Затем САК стало ослабляться, и зимы похолодали. Это происходило до 2010 года. После этого САК снова стало быстро расти, а зимы — теплеть. Но мы пока не знаем точно, связаны ли изменения САК с глобальным потеплением.
А на летние колебания температур САК влияет?
На летнюю погоду оказывают влияние другие системы. Например, для территории России важна система ВА/ЗР (Восточная Атлантика — Запад России). Это колебания давления между востоком Северной Атлантики и Европейской Россией. Положительной называется фаза, в которой повышается давление на востоке СА, а в ЕР (Европейской России) понижается. В отрицательной фазе — всё наоборот. Так вот, в отрицательной фазе этой системы над ЕР наблюдается область повышенного давления; кроме того, резко растут частота и продолжительность блокирующих антициклонов, то есть тех, которые не сдвигаются на восток, а «топчутся на месте». Такие антициклоны вызывают меридиональные ветры: в западной части антициклона они направлены с юга на север, в восточной — в обратную сторону.
Из-за того, что блокирующие антициклоны не пускают в Россию циклоны, приносящие прохладный влажный воздух с Северной Атлантики, летом устанавливается жаркая сухая погода. Яркий пример — 2010 год. Тогда мы наблюдали в европейской части России три таких эпизода, примерно по две недели каждый. Во время всех трех эпизодов стояли небывалая жара и засуха. Вот фрагмент одного из них: здесь цветные изолинии соответствуют линиям, вдоль которых дует ветер в свободной атмосфере (в приземном слое из-за рельефа и неравномерного нагрева он значительно более хаотичен), крестик — центр блокирующего антициклона, он окружен замкнутыми изолиниями. Этот блокинг просуществовал с середины 20‑х чисел июля почти до середины августа; после этого он разрушился, и ветер стал дуть почти зонально, то есть вдоль круга широты.
Расскажите, пожалуйста, поподробнее о блокировании. Почему антициклоны «топчутся»?
Блокирования — это стационарные системы. Волны, или меандры, о которых я говорил выше, — чередования «гребней» (они торчат вверх, на север, это антициклонические области) и «провалов» (на юг, это циклонические области) — как бы наезжают друг на друга. Это может происходить, например, потому, что они тормозятся меридиональным горным хребтом. В России это Урал, в Северной Америке — Скалистые горы, там блокирования выражены еще сильнее. В таких условиях антициклоны и циклоны не дают друг другу смещаться на восток, образуется что-то вроде стоячей волны.
Схема волн ветров
Ветры с севера на юг и обратно, с запада и востока от антициклона — это сам антициклон или воздушные массы вокруг него?
И то и другое. Антициклон — это вихрь, вращающийся по часовой стрелке (циклон — против). Вблизи границы направление движения воздушных масс более-менее сохраняется. Отрицательная фаза ВА/ЗР наблюдается чаще, когда вода в Северной Атлантике теплая. Примерно с 1990‑х годов ВА/ЗР постоянно смещается в сторону отрицательных значений. Это связано с глобальным потеплением. Если оно продолжится, блокирующие антициклоны и жара будут возникать чаще и длиться дольше.
Есть и третья региональная система. Ее называют Скандинавской модой, и она также влияет на частоту блокирований в северной части Европейской России, в особенности зимой. Она способствует холодным зимам. Скандинавская мода похожа на сдвинутое на восток САК — это тоже меридионально расположенный диполь с центрами примерно над Кольским полуостровом и Средиземным морем. Положительная фаза определяется, когда на севере ЕР — антициклон (довольно часто, особенно зимой, — блокирующий). Мода также демонстрирует колебания продолжительностью несколько десятков лет. Причем начиная с 1950 года они находились с САК в противофазе и способствовали потеплению зим (1970‑х — 1990‑х) и похолоданию (1990‑х — 2010‑х). Есть гипотеза, что усиление моды связано с уменьшением ледовитости Баренцева и Карского морей.
Вернемся к меридиональным ветрам. Получается, во всем виновато потепление в Арктике? А почему Арктика теплеет быстрее других регионов? Вроде бы отражательная способность, альбедо, должна ее защищать.
Начну со второго вопроса. Как раз одна из причин быстрого потепления Арктики — уменьшение альбедо при таянии льдов. Потом присоединяются следующие звенья цепи — рост меридиональных ветров, приносящих более теплый воздух с юга и ускоряющих таяние. А теперь отвечу на первый вопрос: нет, не только в Арктике. Как я уже говорил, ВА/ЗР смещается в отрицательную фазу при потеплении Северной Атлантики.
Но разве на температуру в Северной Атлантике не влияет происходящее в Арктике как первопричина? Если не влияет, то что тогда вызывает потепление в Северной Атлантике?
Идет общее потепление в приповерхностном слое воды за счет избыточного парникового эффекта. Конечно, в каких-то случаях северная полярная область может влиять на температуру Северной Атлантики, но это более или менее кратковременные эпизоды вторжения арктического воздуха. В масштабах десятилетий, наоборот, за счет меридионального переноса тепла из разогревающейся Северной Атлантики дополнительно теплеет Арктика. Тепло переносится как воздушными, так и морскими течениями. Но всё это сложные процессы, их взаимодействия пока до конца не ясны.
Получается, чаще теплые воды и воздух приходят в Арктику, чем наоборот, из-за общей тенденции к потеплению, так?
Они туда приходят постоянно, вместе с Североатлантическим течением и цепочками циклонов вдоль него. Но с потеплением эти вода и воздух тоже становятся теплее, и усиливается меридиональная циркуляция, которая здесь в среднем направлена на север.
Чего ждать в ближайшие лет пять?
На пять лет вам никто реалистичный прогноз не даст — слишком велики колебания от года к году. А вот на горизонте лет 50−80 можно что-то прогнозировать. Обычно говорят, что частота и интенсивность экстремально высоких температур, как и продолжительность волн тепла, вырастут, экстремально низкие температуры станут реже. Возрастут также частота и интенсивность сильных ливней — и продолжительность бездождевых периодов. Эти прогнозы основаны на результатах работы нескольких десятков климатических моделей, установленных на мощных суперкомпьютерах и представляющих атмосферную и океаническую циркуляцию, описывающих физические процессы в атмосфере, такие как образование облаков и осадков на поверхности суши и на море, перемещения и таяние морского льда, испарение воды растениями — эвапотранспирацию. А также фотохимические процессы в стратосфере с участием озона.
И то и другое. Антициклон — это вихрь, вращающийся по часовой стрелке (циклон — против). Вблизи границы направление движения воздушных масс более-менее сохраняется. Отрицательная фаза ВА/ЗР наблюдается чаще, когда вода в Северной Атлантике теплая. Примерно с 1990‑х годов ВА/ЗР постоянно смещается в сторону отрицательных значений. Это связано с глобальным потеплением. Если оно продолжится, блокирующие антициклоны и жара будут возникать чаще и длиться дольше.
Есть и третья региональная система. Ее называют Скандинавской модой, и она также влияет на частоту блокирований в северной части Европейской России, в особенности зимой. Она способствует холодным зимам. Скандинавская мода похожа на сдвинутое на восток САК — это тоже меридионально расположенный диполь с центрами примерно над Кольским полуостровом и Средиземным морем. Положительная фаза определяется, когда на севере ЕР — антициклон (довольно часто, особенно зимой, — блокирующий). Мода также демонстрирует колебания продолжительностью несколько десятков лет. Причем начиная с 1950 года они находились с САК в противофазе и способствовали потеплению зим (1970‑х — 1990‑х) и похолоданию (1990‑х — 2010‑х). Есть гипотеза, что усиление моды связано с уменьшением ледовитости Баренцева и Карского морей.
Вернемся к меридиональным ветрам. Получается, во всем виновато потепление в Арктике? А почему Арктика теплеет быстрее других регионов? Вроде бы отражательная способность, альбедо, должна ее защищать.
Начну со второго вопроса. Как раз одна из причин быстрого потепления Арктики — уменьшение альбедо при таянии льдов. Потом присоединяются следующие звенья цепи — рост меридиональных ветров, приносящих более теплый воздух с юга и ускоряющих таяние. А теперь отвечу на первый вопрос: нет, не только в Арктике. Как я уже говорил, ВА/ЗР смещается в отрицательную фазу при потеплении Северной Атлантики.
Но разве на температуру в Северной Атлантике не влияет происходящее в Арктике как первопричина? Если не влияет, то что тогда вызывает потепление в Северной Атлантике?
Идет общее потепление в приповерхностном слое воды за счет избыточного парникового эффекта. Конечно, в каких-то случаях северная полярная область может влиять на температуру Северной Атлантики, но это более или менее кратковременные эпизоды вторжения арктического воздуха. В масштабах десятилетий, наоборот, за счет меридионального переноса тепла из разогревающейся Северной Атлантики дополнительно теплеет Арктика. Тепло переносится как воздушными, так и морскими течениями. Но всё это сложные процессы, их взаимодействия пока до конца не ясны.
Получается, чаще теплые воды и воздух приходят в Арктику, чем наоборот, из-за общей тенденции к потеплению, так?
Они туда приходят постоянно, вместе с Североатлантическим течением и цепочками циклонов вдоль него. Но с потеплением эти вода и воздух тоже становятся теплее, и усиливается меридиональная циркуляция, которая здесь в среднем направлена на север.
Чего ждать в ближайшие лет пять?
На пять лет вам никто реалистичный прогноз не даст — слишком велики колебания от года к году. А вот на горизонте лет 50−80 можно что-то прогнозировать. Обычно говорят, что частота и интенсивность экстремально высоких температур, как и продолжительность волн тепла, вырастут, экстремально низкие температуры станут реже. Возрастут также частота и интенсивность сильных ливней — и продолжительность бездождевых периодов. Эти прогнозы основаны на результатах работы нескольких десятков климатических моделей, установленных на мощных суперкомпьютерах и представляющих атмосферную и океаническую циркуляцию, описывающих физические процессы в атмосфере, такие как образование облаков и осадков на поверхности суши и на море, перемещения и таяние морского льда, испарение воды растениями — эвапотранспирацию. А также фотохимические процессы в стратосфере с участием озона.
ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ #1_2022