Холодные зимы удастся предсказывать на 16% точнее

Ученые исследовали, как менялся климат в Северной Атлантике за последние 70 лет, и выяснили, что аномально низкие температуры верхнего слоя океана, появляющиеся две зимы подряд, могут влиять на атмосферную циркуляцию в Атлантико-Европейском регионе и в частности на погодные условия в Европе. Это связано с тем, что остывшие сильнее обычного поверхностные воды погружаются вглубь и изолируются от поверхности океана в весенне-летний период, а на следующую зиму смешиваются с остывающими поверхностными водами. В результате более холодный, чем обычно, верхний слой океана начинает интенсивно понижать температуру воздуха. Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Climate Dynamics.

В последнее время метеорологи научились точнее предсказывать погоду на длительный срок за счет математического моделирования системы «океан-атмосфера». При этом учитываются не только предшествующие температура воздуха, направление и сила ветра, но и температура поверхностных вод Мирового океана. Аномалии — слишком высокие или низкие температуры верхнего слоя океана, наблюдающиеся в течение нескольких месяцев и больше — сопровождаются резким отклонением погоды от нормы во многих регионах земного шара. Бывают случаи, когда зима неожиданно сурова относительно годового прогноза: так, например, зима 2010 года была одной из самых холодных в Западной Европе с 1979 года, хотя лето 2009 года было теплым, и казалось, что атмосфера и океан успели достаточно прогреться после холодной зимы 2009 года.

В Северной Атлантике возникает ситуация, при которой в тропических и субполярных широтах формируются аномалии температуры верхнего слоя океана одного знака, а в субтропических широтах — противоположного, например, положительная аномалия в тропиках и субполярье и отрицательная — в субтропиках, или наоборот. Это происходит, когда пассатные ветры в тропических широтах и западные ветры в субполярных широтах одновременно либо усиливаются, либо ослабевают. Это называют трипольной структурой аномалий температуры. Она может повторяться от одной зимы к другой, не проявляясь на поверхности океана летом (холодные воды уходят вглубь и при измерении температуры поверхности воды летом не учитываются). Наблюдения показывают: если трипольная структура зимних аномалий повторяется на следующий год, то в Западной Европе ожидается наступление суровой зимы, в частности сильных снегопадов и низких температур воздуха, — как и было зимой 2010 года.

Ученый из Института природно-технических систем (Севастополь) в соавторстве с зарубежным коллегой из Национального управления океанических и атмосферных исследований (США) предложил статистическую модель, которая учитывает изменчивость атмосферной циркуляции и состояние трипольной структуры аномалий температуры в Северной Атлантике, а также определяет причинно-следственную связь между этими процессами. Оказалось, что в первую зиму изменчивость ветра над Северной Атлантикой приводит к появлению трипольной структуры аномалий, а во вторую зиму трипольная структура начинает в свою очередь влиять на циркуляцию ветра.

Исследователи проанализировали данные о температуре океана и циркуляции атмосферы в Северной Атлантике за последние 70 лет. Это позволило выявить эволюцию трипольной структуры аномалий температуры. Так, зимой холодные воды заглубляются, сохраняются в подповерхностном слое (до 300 метров) летом и появляются на поверхности океана в последующий осенне-зимний период. Кроме того, по оценкам ученых, аномалии температуры в субполярных и субтропических широтах во вторую зиму усиливаются до 65%. Например, зимой 2014 года амплитуда аномалий температуры в субполярье и субтропиках составила 0,5–0,6°С, а следующей зимой верхний слой океана здесь испытал дополнительное охлаждение или потепление на 0,3–0,4°С. В тропических широтах при аналогичном процессе аномалия температуры усиливается примерно на 50%.

С помощью разработанной статистической модели авторы сделали вывод, что аномалии температуры, сформировавшиеся в центрах действия трипольной структуры в первую зиму и повторно появившиеся на поверхности океана в последующую зиму, будут способствовать изменению атмосферной циркуляции в сторону того режима, при котором эти аномалии температуры были сформированы, то есть за первой холодной зимой с интенсивной трипольной аномалией будет следовать вторая еще более холодная зима.

«Этой тематике посвящен цикл из двух статей — в первой мы показали, что в подповерхностном слое Северной Атлантики в летний период также существует трипольная структура, и она наиболее сильно связана с аномалиями температуры поверхности океана в предшествующем феврале-марте, когда воды интенсивно перемешиваются в верхнем слое Северной Атлантики. Во второй статье мы выяснили, каким образом трипольная структура, появившаяся на поверхности океана в последующую зиму, модифицирует режим атмосферной циркуляции. Учет этого фактора в предложенной нами модели позволяет уменьшить ошибку прогноза появления трипольной аномалии на следующую зиму на 16%. Эти результаты могут быть полезны для уточнения наступления суровых зим в Западной Европе. В дальнейшем мы также хотели бы рассмотреть ситуации, когда аномалии температуры формируются в первую зиму в одном месте, а проявляются на поверхности океана в следующую зиму в другом месте. Это позволит более подробно описать изменение температуры верхнего слоя океана», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Павел Сухонос, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Института природно-технических систем.