Введение
Эль-Ниньо — Южное колебание (ЭНЮК) — это природное климатическое явление, обусловленное взаимодействием океана и атмосферы в тропической части Тихого океана. В последние десятилетия значительные успехи в наблюдении и моделировании ЭНЮК значительно улучшили наше понимание, однако важные задачи остаются.
Почему важно понимать Эль-Ниньо — Южное колебание (ЭНЮК)?
События ЭНЮК обычно длятся около года и проходят в две фазы: Эль-Ниньо, когда центральная и восточная части Тихого океана становятся необычно тёплыми, и Ла-Нинья, когда температура становится ниже нормы. Эти температурные сдвиги нарушают режим ветров и осадков, вызывая аномалии, такие как засухи, наводнения, тропические циклоны и морские или наземные волны тепла. Эти воздействия сильно влияют на экосистемы, сельское хозяйство и экономику по всему миру.
Хотя ЭНЮК зарождается в тропической части Тихого океана, его влияние распространяется по всему миру через атмосферные «телесвязи». Из-за его широкого воздействия понимание и прогнозирование ЭНЮК имеет важное значение. Сегодня связанные модели океана и атмосферы и статистические методы позволяют учёным прогнозировать события ЭНЮК на срок до года вперёд, что делает ЭНЮК ключевым элементом глобального сезонного прогнозирования климата.
Наблюдения и моделирование ЭНЮК: достижения последних десятилетий
Два крупных прорыва в 1990-х годах значительно продвинули наши возможности в наблюдении и моделировании ЭНЮК. Во-первых, в плане наблюдений массив буев TAO через экваториальную часть Тихого океана и спутниковая альтиметрия предоставили непрерывные измерения поверхностных метеорологических и подповерхностных океанических условий — ключевые данные для понимания динамики ЭНЮК. Во-вторых, моделирование эволюционировало от упрощённых «промежуточных» связанных моделей 1980-х годов до более сложных связанных моделей общей циркуляции (CGCM), которые имитируют всю сложность взаимодействий океана и атмосферы.
Эти достижения позволили глубже понять механизмы, управляющие ЭНЮК. Важно отметить, что подповерхностные наблюдения также стали неотъемлемой частью инициализации прогнозов ЭНЮК, повышая их точность. Вместе эти инструменты наблюдений и моделирования заложили основу для современных систем исследований и прогнозирования ЭНЮК.
Концептуальные модели для понимания ЭНЮК
Концептуальные модели ЭНЮК — это простые математические представления, которые сводят явление к нескольким ключевым переменным, таким как температура поверхности моря в центральной части Тихого океана или экваториальное содержание тепла в океане. Эти модели используют основные уравнения для описания основной динамики ЭНЮК, включая обратную связь Бьеркнеса (положительная петля, усиливающая температурные аномалии) и более медленные процессы адаптации экваториального океана, которые помогают сдвигать ЭНЮК из одной фазы в другую.
Концептуальные модели предлагают ясность и понимание, дополняющие реализм полномасштабных симуляций. Они также позволяют исследователям проверять гипотезы о динамике ЭНЮК в контролируемой, упрощённой обстановке. Несмотря на свою простоту, они могут делать полезные количественные прогнозы о характеристиках ЭНЮК, таких как амплитуда или период, и часто используются для диагностики смещений в более сложных климатических моделях.
Модель «зарядного осциллятора»
Модель «зарядного осциллятора» (РО) — это концептуальная модель ЭНЮК, представленная в середине 1990-х годов Фэй-Фэй Цзинь. В отличие от более ранних моделей, она включает явное уравнение для подповерхностного содержания тепла в океане, фиксируя «память» ЭНЮК. Её гибкая математическая структура позволила исследователям постепенно повышать её реалистичность, сохраняя при этом простоту и интерпретируемость.
В нашем обзоре мы показываем, что РО теперь может воспроизводить ключевые характеристики ЭНЮК, включая его амплитуду, доминирующий период, сезонную синхронизацию и тенденцию к тому, что события Эль-Ниньо бывают сильнее, чем события Ла-Нинья. Примечательно, что недавние исследования показывают, что она может даже соперничать со сложными динамическими моделями по точности прогнозов. Благодаря своей ясности, предсказательной силе и широкому использованию в исследовательском сообществе, «зарядный осциллятор» стал естественным фокусом для специального обзора.
Как модель «зарядного осциллятора» помогает понять реакцию ЭНЮК на изменение климата?
Климатические модели обычно прогнозируют усиление стратификации океана вблизи поверхности в условиях изменения климата. Большинство из них предсказывают ослабление экваториальных пассатов Тихого океана, хотя некоторые показывают усиление — ближе к наблюдаемым тенденциям в последние десятилетия. Эти сдвиги в фоновом состоянии могут существенно повлиять на поведение ЭНЮК.
РО помогает изучить эти эффекты, предоставляя количественные связи между фоновым состоянием и характеристиками ЭНЮК, такими как амплитуда, период и асимметрия. Это делает РО полезным инструментом для понимания того, как будущие изменения в стратификации или ветрах могут повлиять на ЭНЮК — и почему прогнозы моделей иногда расходятся. Однако использование РО для изучения воздействия изменения климата всё ещё является развивающейся областью, отчасти потому, что способ, которым изменения фонового состояния влияют на параметры РО, ещё полностью не изучен.
Основные проблемы и ограничения модели «зарядного осциллятора»
Клаус Виртаки знаменито отметил, что «нет двух одинаковых событий Эль-Ниньо». Это понимание лежит в основе проблемы разнообразия ЭНЮК — того факта, что некоторые события достигают пика в восточной части Тихого океана, в то время как другие — дальше на запад, с различными глобальными воздействиями. Учёт этого разнообразия остаётся ключевым ограничением РО. Хотя недавние исследования предложили многообещающие способы представления этих вариаций в рамках модели РО, необходима дополнительная работа для разработки консенсуса в сообществе по физически согласованному подходу.
Ещё одна проблема заключается в моделировании двусторонних взаимодействий между ЭНЮК и другими климатическими режимами, такими как Индийский океанский диполь или изменчивость Атлантики, которые могут влиять на ЭНЮК через атмосферные телесвязи. Эти взаимодействия не учитываются в РО. Однако недавняя работа, представляющая расширенный «зарядный осциллятор» (XRO), предлагает многообещающий путь вперёд. Преодоление этих ограничений укрепит актуальность РО для изучения как разнообразия ЭНЮК, так и его связей с более широкой изменчивостью климата.
Оставшиеся вопросы, требующие дополнительных усилий в моделировании, сборе данных или исследованиях
В нашем обзоре мы выделяем 10 открытых исследовательских вопросов, многие из которых хорошо подходят для докторских или постдокторских проектов, направленных на улучшение РО и использование его для изучения более широкой динамики ЭНЮК. Они включают ранее упомянутые проблемы, такие как понимание поведения ЭНЮК в условиях потепления климата, учёт разнообразия ЭНЮК и моделирование взаимодействий с другими климатическими режимами.
Для поддержки будущих исследований мы скоро выпустим версии РО с открытым исходным кодом на Python и Matlab, сопровождаемые технической статьёй с подробным описанием его численной реализации и методов подбора параметров. Это облегчит исследователям использование и расширение рамок РО для решения актуальных вопросов, связанных с ЭНЮК, — в конечном итоге помогая преодолеть разрыв между концептуальными моделями и сложными симуляциями земной системы.
— Жером Виальар (jerome.vialard@ird.fr, 0000-0001-6876-3766), LOCEAN-IPSL, IRD-CNRS-MNHN-Sorbonne Universités, Франция; с отзывами, предоставленными соавторами обзора.
Примечание редактора: политика публикаций AGU заключается в том, чтобы приглашать авторов статей, опубликованных в Reviews of Geophysics, написать резюме для Eos Editors’ Vox.
Citation: Vialard, J. (2025), Two equations that unlock El Niño, Eos, 106, https://doi.org/10.1029/2025EO255018. Published on 5 June 2025.
Эта статья не представляет мнение AGU, Eos или каких-либо его аффилированных лиц. Это исключительно мнение автора (авторов).
Текст © 2025. Авторы. CC BY-NC-ND 3.0
За исключением случаев, когда указано иное, изображения защищены авторским правом. Любое повторное использование без явного разрешения от правообладателя запрещено.