• A
  • A
  • A
  • АБB
  • АБB
  • АБB
  • А
  • А
  • А
  • А
  • А
Обычная версия сайта

Картотека: морская метеорология

Что она позволяет узнать о погоде, климате и глобальном потеплении

Dietmar Rabich / Wikimedia Commons / “Cape Bridgewater (AU), Blowholes -- 2019 -- 0813” / CC BY-SA 4.0

Куда текут разрушительные атмосферные реки, какой энергией заряжаются ураганы, что такое «Ананасовый экспресс», как теплеет и «поднимается» Мировой океан? На все эти вопросы отвечает морская метеорология. Эту дисциплину можно считать базовой для метеорологии в целом, поскольку погода во многом формируется именно над океанами. А предсказать её помогают наблюдения над морской стихией. С их помощью можно многое узнать и о происходящих изменениях климата. Рассказываем о морской метеорологии с помощью лекции географа из НИУ ВШЭ Полины Вереземской.

Что такое морская метеорология?

Это область метеорологии, которая изучает атмосферные процессы над океанами, морями и вдоль береговой линии материков. Для неё крайне значимы взаимодействия океана и атмосферы, так как именно над морями и океанами формируется погода, а также возникают шторма, ураганы, вихри, циклоны и другие экстремальные погодные явления. 

А климат тоже зависит от морской стихии?

Да, поэтому Мировой океан заслуживает самого внимательного изучения, и не только со стороны синоптиков и климатологов. Кроме того, океаном покрыты две трети поверхности Земли. Он занимает 361,3 млн квадратных километров из 510 млн квадратных километров земной поверхности. На этом фоне суша выглядит довольно скромно. Так что планета Земля, строго говоря, должна была бы называться планетой Океан.

Как взаимодействуют океан и атмосфера?

Они постоянно «контактируют» и на поверхности раздела «вода – воздух» обмениваются энергией и веществом. Простой пример: океан нагревает атмосферу и смягчает климат Земли. Дело в том, что безоблачная атмосфера почти прозрачна для большей части коротковолнового солнечного излучения. Поэтому она не нагревается. Её нагрев возможен только снизу, от поверхности планеты — суши и вод — за счёт длинноволнового излучения.

Океан, в отличие от атмосферы, нагревается сверху. Он поглощает коротковолновую энергию, при этом его температура растёт. А отдаёт он тепло в длинноволновом инфракрасном диапазоне, нагревая тем самым и атмосферу, которая хорошо поглощает подобное излучение.

В целом взаимодействие океана и атмосферы — это множество механизмов обмена влагой и теплом, солями и газами. В совокупности они обеспечивают динамически равновесное состояние климата Земли. Без изучения состояния атмосферы над океаном нельзя составить хороший прогноз погоды. Поэтому метеорологи постоянно мониторят синоптическую обстановку в океанах, отслеживают зарождение штормовых ветров, прогнозируют траектории движения циклонов, обрабатывают спутниковые данные и пр.

Что морская метеорология говорит о глобальном потеплении?

Мировой океан на 93,4% предотвращает экспоненциальный рост глобального потепления. То есть более 90% избыточного тепла, возникшего за счёт парникового эффекта, поглощается океанскими водами. В атмосфере остаётся лишь 2,3% теплового сигнала от парникового эффекта. И если глобальное теплосодержание атмосферы растёт очень медленно, то теплосодержание Мирового океана растёт вдесятеро быстрее. Иными словами, он забирает весь тепловой удар на себя.

Это, несомненно, отражается и на океанических экосистемах. Океан теплеет, меняется его циркуляция. Поскольку он также поглощает часть углекислого газа, в нём накапливается углекислота. Происходит ацидификация — повышение кислотности, что может пагубно отражаться на морских организмах. Например, известно, что из-за ацидификации воды в океане гибнут сообщества кораллов.

Как обстоит дело с мониторингом состояния атмосферы?

С изучением атмосферы всё хорошо. Действуют больше 11 тысяч наземных станций, которые записывают температуру, влажность воздуха, приземное давление, скорость и направление ветра, солнечную радиацию, облачность.

Ещё 1300 станций занимаются вертикальным зондированием атмосферы. Чтобы предсказывать погоду, надо знать состояние атмосферы не только в нижнем слое, но и по вертикали, до верхней границы тропосферы (это 8-10 км в полярных, 10-12 км в умеренных и 16-18 км в тропических широтах). Кроме того, 3000 станций установлены на военных и транспортных самолётах, которые по ходу движения также зондируют атмосферу в верхних слоях.

А что насчёт отслеживания состояния океана?

Здесь с мониторингом ситуация сложнее. Цифры говорят сами за себя: соотношение наблюдений за атмосферой над морем и над сушей — один к десяти.

В океане находятся 1200-1700 дрейфующих буёв-измерителей, в том числе океанографические станции всемирной сети «Арго». Буи занимаются зондированием океана. Когда они всплывают, чтобы передать сигнал на спутник (примерно раз в две недели), то также записывают состояние атмосферы в приводном слое.

Метеорологическими приборами оборудованы около 1000 судов. Команда каждого судна составляет телеграммы и передаёт в центры, принадлежащие Всемирной метеорологической организации. Однако всего лишь 15 судов занимаются вертикальным зондированием атмосферы над океаном.

Так что количественно наблюдений над океаном явно меньше. И если мы сравним плотность покрытия океана и суши станциями метеонаблюдений, то получится, что на суше на 1 млн квадратных километров приходятся 102 станции, а на море — всего лишь шесть.

Как же тогда удаётся делать относительно точный прогноз погоды?

С помощью спутников. Настоящий скачок качества метеонаблюдений и точности  прогнозирования погоды на краткосрочные периоды был вызван появлением в начале 1970-х первых метеорологических спутников Земли.

Государств, интенсивно занимающихся спутниковым наблюдением, всего пять: Россия, США, Китай, Индия и Япония.А наиболее известные российские космические аппараты гидрометеорологического обеспечения — «Метеор-М» и «Электро-Л».

Какие данные обеспечивает учёным спутниковое наблюдение?

Очень многие. Так были получены, например, первые изображения облачности. Оказалось, что над океаном происходит то же самое, что и над сушей, но облачность гораздо больше. Стало очевидно, что циклоны, атмосферные фронты, вихри, зоны конвергенции, шквальные ветры и пр. доминируют над океаном и оттуда нередко перемещаются на сушу.

Среди других сведений — скорость приводных ветров, паросодержание атмосферы, температура поверхности океана, солёность воды и многое другое. Благодаря таким замерам человечество узнало, что уровень океана постоянно и неминуемо растёт.

Наверно воды прибывают из-за таяния льдов?

Действительно, многие думают, что уровень Мирового океана растёт лишь из-за таяния ледников. Они действительно уменьшаются. Так, ледяной щит Арктики уже не восстанавливается зимой. Тают ледники Гренландии, горные ледники во многих регионах планеты. Например, общая площадь свыше 600-та ледников Большого Кавказа сократилась примерно на 16%. 

Однако это не единственная причина роста уровня Мирового океана. Если мы вспомним физику, то, как известно, при повышении температуры жидкости расширяются и занимают больший объём. То же самое происходит и при нагревании Мирового океана. 

Как, с учётом всех сложностей, метеорологи делают глобальный прогноз погоды?

Прогноз погоды в современном мире делается с помощью численных моделей атмосферы. Здесь применяются уравнения Навье-Стокса. Они описывают движение вязкой ньютоновской жидкости — в данном случае атмосфера тоже приравнивается к подобной жидкости. В каждой точке глобальной сетки — она покрывает всю поверхность Земли — эти уравнения и решаются. 

При этом для расчёта используются данные наблюдений, полученные из всех возможных источников. Среди них наземные станции и радары, шары-пилоты, зондирующие атмосферу по вертикали, самолёты, суда и, конечно, спутники.

На первом этапе идёт ассимиляция всех данных в численные модели атмосферы. Сначала их нужно привести к стандартному виду и расположить на точках глобальной сетки. Затем в каждой точке получают значения характеристик на каждом уровне по вертикали. В итоге получаются не двумерные структуры, а трёхмерные — столбики. И вот теперь уже для каждой точки можно решать уравнения Навье-Стокса. 

Вся эта гидродинамика и математика — слишком сложные материи. А расскажите лучше о погодных явлениях, связанных с океанами?

Самые известные среди них — это среднеширотные циклоны — воздушные массы, которые закручиваются в вихрь и поднимаются вверх от поверхности Земли. Они определяют погоду в самых густонаселённых частях света: Евразии, Северной и Южной Америке. С циклонами связаны осадки, ветры, грозы, шквалы.

Если нарисовать траектории циклона и потом посчитать количество этих линий на глобальной сетке, то получится картина, которую называют шторм-треком. Основных шторм-треков два: тихоокеанский и североатлантический. Вся погода в Европе и в большей части Азии определяется активностью североатлантического шторм-трека. США и Канада находятся под влиянием тихоокеанского.

Сильно разогретый океан в тропической зоне — мощный источник энергии для атмосферных процессов. Он питает такие погодные явления как тропические ураганы. Поэтому они ослабевают, как только выходят на сушу. Однако для прибрежных территорий ураганы обычно несут разрушения и бедствия. Достаточно вспомнить «Катрину» (август 2005-го), из-за которой в Новом Орлеане под водой оказались почти 80% площади города, и около 700 тысяч человек лишились крова. Ураган опустошил на побережье Мексиканского залива прибрежные районы штатов Алабама, Луизиана и Миссисипи. Кроме того, он повредил  множество буровых платформ. Из-за разрушений в воду вылилось около 26 тысяч тонн нефти и нефтепродуктов.

Ранее были упомянуты ещё и атмосферные реки. Что это такое?

Атмосферная река — это локализованный узкий коридор интенсивного переноса водяного пара. С их помощью транспортируются до 90% влаги из тропиков в средние широты. Другие названия этого явления — тропический шлейф, шлейф влажности.

Климатологи выяснили, что атмосферные реки служат причиной многих экстремальных погодных явлений. На побережьях атмосферные реки встречаются с землей — как правило, «наталкиваются» на горы. В результате выпадают обильные осадки, что нередко приводит к оползням и наводнениям.

Также атмосферные реки могут губительно действовать на природные сообщества. Так, несколько лет назад учёные зафиксировали массовую гибель устриц в заливе Сан-Франциско из-за резкого снижения концентрации солей в воде.

Интересен феномен «Ананасового экспресса» (Pineapple Express). Эта атмосферная река несёт массу влаги с Гавайских островов к западному побережью США. В результате в достаточно сухой Калифорнии выпадает много осадков, и лучше растут ананасы. Так что помимо негативных последствий для людей и природы — от атмосферных рек бывают и позитивные!

IQ

Автор текста: Соболевская Ольга Вадимовна, 8 июля