Колебание Маддена –Джулиана ( MJO ) является крупнейшим элементом внутрисезонной (от 30 до 90 дней) изменчивости в тропической атмосфере. Оно было открыто в 1971 году Роландом Мэдденом и Полом Джулианом из Американского национального центра атмосферных исследований (NCAR). [1] Это крупномасштабная связь между атмосферной циркуляцией и тропической глубокой атмосферной конвекцией . [2] [3] В отличие от постоянной модели, такой как Эль-Ниньо–Южное колебание (ENSO), колебание Маддена–Джулиана является перемещающейся моделью, которая распространяется на восток со скоростью приблизительно от 4 до 8 м/с (от 14 до 29 км/ч; от 9 до 18 миль/ч) через атмосферу над теплыми частями Индийского и Тихого океанов. Эта общая модель циркуляции наиболее отчетливо проявляется в виде аномальных осадков.
Колебание Маддена–Джулиана характеризуется продвижением на восток крупных областей как усиленных, так и подавленных тропических осадков, наблюдаемых в основном над Индийским и Тихим океанами. Аномальные осадки обычно сначала заметны над западной частью Индийского океана и остаются заметными по мере распространения над очень теплыми водами океана западной и центральной тропической части Тихого океана. Эта картина тропических осадков обычно становится невыразительной по мере продвижения над в первую очередь более прохладными водами океана восточной части Тихого океана, но снова появляется при прохождении над более теплыми водами над тихоокеанским побережьем Центральной Америки . Картина также может иногда появляться с низкой амплитудой над тропической Атлантикой и с более высокой амплитудой над Индийским океаном. За влажной фазой усиленной конвекции и осадков следует сухая фаза, когда грозовая активность подавляется. Каждый цикл длится приблизительно 30–60 дней. Из-за этой картины колебание Маддена–Джулиана также известно как 30–60-дневное колебание , 30–60-дневная волна или внутрисезонное колебание .
Отчетливые закономерности аномалий атмосферной циркуляции на нижнем и верхнем уровнях сопровождают закономерность увеличения или уменьшения количества тропических осадков в тропиках, связанную с MJO. Эти особенности циркуляции распространяются по всему земному шару и не ограничиваются только восточным полушарием. Колебание Маддена-Джулиана движется на восток со скоростью от 4 м/с (14 км/ч, 9 миль/ч) до 8 м/с (29 км/ч, 18 миль/ч) через тропики, пересекая тропики Земли за 30–60 дней — при этом активная фаза MJO отслеживается по степени исходящего длинноволнового излучения, которое измеряется инфракрасными геостационарными метеорологическими спутниками . Чем меньше количество исходящего длинноволнового излучения, тем сильнее грозовые комплексы или конвекция в этом регионе. [4]
Усиленные поверхностные (верхний уровень) западные ветры возникают вблизи западной (восточной) стороны активной конвекции. [5] Океанические течения, глубиной до 100 метров (330 футов) от поверхности океана, следуют в фазе с компонентом восточного ветра поверхностных ветров. До или к востоку от усиленной активности MJO ветры на высоте являются западными. Вслед за ней или к западу от области усиленных осадков ветры на высоте являются восточными. Эти изменения ветра на высоте обусловлены дивергенцией, присутствующей над активными грозами во время усиленной фазы. Его прямое влияние можно проследить к полюсу до 30 градусов широты от экватора как в северном, так и в южном полушариях, распространяясь наружу от своего источника около экватора примерно на 1 градус широты или 111 километров (69 миль) в день. [6]
Движение MJO вокруг земного шара может иногда замедляться или останавливаться летом и в начале осени в Северном полушарии , что приводит к постоянному увеличению количества осадков на одной стороне земного шара и постоянному снижению количества осадков на другой стороне. [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] Это также может произойти в начале года. [10] [15] [16] MJO также может затихать на некоторое время, что приводит к неаномальной штормовой активности в каждом регионе земного шара. [17] [18] [19] [13] [20] [21]
В течение летнего сезона в Северном полушарии влияние MJO на индийский и западноафриканский летний муссон хорошо документировано. Влияние MJO на североамериканский летний муссон также имеет место, хотя оно относительно слабее. Влияние MJO на североамериканские летние осадки тесно связано с меридиональными (т. е. с севера на юг) корректировками характера осадков в восточной тропической части Тихого океана. Также присутствует тесная связь между ведущим режимом внутрисезонной изменчивости североамериканской муссонной системы, MJO и точками зарождения тропических циклонов.
Период повышения температуры поверхности моря наблюдается за пять-десять дней до усиления осадков, связанных с MJO, по всей южной Азии. Перерыв в азиатском муссоне, обычно в течение июля, был приписан колебанию Маддена-Джулиана после того, как его усиленная фаза смещается на восток региона в открытую тропическую часть Тихого океана. [22]
Тропические циклоны происходят в течение всего бореального теплого сезона (обычно с мая по ноябрь) как в северной части Тихого океана, так и в северной части Атлантического океана, но в любом году есть периоды повышенной или пониженной активности в течение сезона. Данные свидетельствуют о том, что осцилляция Маддена-Джулиана модулирует эту активность (особенно для самых сильных штормов), обеспечивая крупномасштабную среду, которая благоприятна (или неблагоприятна) для развития. Нисходящее движение, связанное с MJO, не благоприятно для развития тропических штормов. Однако восходящее движение, связанное с MJO, является благоприятной моделью для формирования гроз в тропиках, что весьма благоприятно для развития тропических штормов. По мере продвижения MJO на восток благоприятный регион для активности тропических циклонов также смещается на восток от западной части Тихого океана к восточной части Тихого океана и, наконец, к Атлантическому бассейну.
Однако существует обратная зависимость между активностью тропических циклонов в западной части северо-Тихоокеанского бассейна и в северной части Атлантического бассейна. Когда один бассейн активен, другой обычно спокоен, и наоборот. Основной причиной этого, по-видимому, является фаза MJO, которая обычно находится в противоположных режимах между двумя бассейнами в любой момент времени. [23] Хотя эта связь кажется надежной, MJO является одним из многих факторов, которые способствуют развитию тропических циклонов. Например, температура поверхности моря должна быть достаточно высокой, а вертикальный сдвиг ветра должен быть достаточно слабым для формирования и сохранения тропических возмущений. [24] Однако MJO также влияет на эти условия, которые способствуют или подавляют формирование тропических циклонов. MJO регулярно отслеживается как Национальным центром ураганов США, так и Центром прогнозирования климата США во время сезона атлантических ураганов ( тропических циклонов ), чтобы помочь в прогнозировании периодов относительной активности или бездействия. [25]
Сигнал MJO хорошо определен в некоторых частях Африки, включая бассейн Конго и Восточную Африку . Во время основных дождливых сезонов в Восточной Африке (с марта по май и с октября по декабрь) количество осадков, как правило, меньше, когда конвективное ядро MJO находится над восточной частью Тихого океана, и больше, когда конвекция достигает пика над Индийским океаном. [26] [27] Во время «влажных» фаз обычные восточные ветры ослабевают, в то время как во время «сухих» фаз восточные ветры усиливаются. [28]
Увеличение частоты фаз MJO с конвективной активностью над восточной частью Тихого океана могло способствовать тенденции к высыханию, наблюдаемой в бассейне реки Конго в последние несколько десятилетий. [29] [30]
Существует сильная годовая (межгодовая) изменчивость активности колебания Маддена–Джулиана, с длительными периодами сильной активности, за которыми следуют периоды, когда колебание слабое или отсутствует. Эта межгодовая изменчивость MJO частично связана с циклом Эль-Ниньо–Южное колебание (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 . Сильные события в колебании Маддена–Джулиана в течение ряда месяцев в западной части Тихого океана могут ускорить развитие Эль-Ниньо или Ла-Нинья, но обычно сами по себе не приводят к началу теплого или холодного события ENSO. [31] Однако наблюдения показывают, что Эль-Ниньо 1982-1983 гг. быстро развивалось в июле 1982 г. в ответ на волну Кельвина , вызванную событием MJO в конце мая. [32] Кроме того, изменения в структуре MJO с сезонным циклом и ENSO могут способствовать более существенному влиянию MJO на ENSO. Например, поверхностные западные ветры, связанные с активной конвекцией MJO, сильнее во время продвижения к Эль-Ниньо, а поверхностные восточные ветры, связанные с подавленной конвективной фазой, сильнее во время продвижения к Ла-Нинья. [33] В глобальном масштабе межгодовая изменчивость MJO в основном определяется внутренней динамикой атмосферы, а не поверхностными условиями. [ необходимо разъяснение ]
Наиболее сильное воздействие внутрисезонной изменчивости на Соединенные Штаты происходит в зимние месяцы над западной частью США. Зимой этот регион получает большую часть своих годовых осадков . Штормы в этом регионе могут длиться несколько дней или более и часто сопровождаются устойчивыми особенностями атмосферной циркуляции . Особую озабоченность вызывают экстремальные осадки, связанные с наводнениями . Убедительные доказательства указывают на связь между погодой и климатом в этом регионе из исследований, которые связывают Эль-Ниньо-Южное колебание с региональной изменчивостью осадков. В тропической части Тихого океана зимы со слабым или умеренным холодом, или эпизодами Ла-Нинья, или нейтральными условиями ЭНСО часто характеризуются повышенной активностью колебаний Маддена-Джулиана продолжительностью от 30 до 60 дней. Недавним примером является зима 1996–1997 годов, которая характеризовалась сильным наводнением в Калифорнии и на северо-западе Тихого океана (оценочная стоимость ущерба составила 2,0–3,0 млрд долларов на момент события) и очень активным MJO. Такие зимы также характеризуются относительно небольшими аномалиями температуры морской поверхности в тропической части Тихого океана по сравнению с более сильными теплыми и холодными эпизодами. В эти зимы наблюдается более сильная связь между событиями MJO и экстремальными осадками на западном побережье.
Типичный сценарий, связывающий модель тропических осадков, связанных с MJO, с экстремальными осадками на северо-западе Тихого океана, характеризуется прогрессивной (т.е. движущейся на восток) моделью циркуляции в тропиках и ретроградной (т.е. движущейся на запад) моделью циркуляции в средних широтах северной части Тихого океана. Типичные зимние погодные аномалии, предшествующие сильным осадкам на северо-западе Тихого океана, следующие: [34]
На протяжении всей этой эволюции наблюдается регрессия крупномасштабных особенностей атмосферной циркуляции в восточно-тихоокеанско-североамериканском секторе. Многие из этих событий характеризуются прогрессией самых сильных осадков с юга на север вдоль северо-западного побережья Тихого океана в течение периода от нескольких дней до более чем одной недели. Однако важно различать отдельные синоптические штормы, которые обычно перемещаются с запада на восток, от общей крупномасштабной картины, которая демонстрирует регрессию. [34]
Существует согласованная одновременная связь между долготным положением максимального количества осадков, связанных с MJO, и местоположением экстремальных осадков на западном побережье. Экстремальные явления на Тихоокеанском северо-западе сопровождаются повышенными осадками над западной тропической частью Тихого океана и регионом Юго-Восточной Азии , который метеорологи называют Приморским континентом , с подавленными осадками над Индийским океаном и центральной частью Тихого океана. Поскольку регион интереса смещается от Тихоокеанского северо-запада к Калифорнии , регион повышенных тропических осадков смещается дальше на восток. Например, экстремальные ливневые явления в южной Калифорнии обычно сопровождаются повышенными осадками вблизи 170° в. д. Однако важно отметить, что общая связь между MJO и экстремальными осадками на западном побережье ослабевает по мере смещения региона интереса на юг вдоль западного побережья Соединенных Штатов. [34]
Амплитуда и продольная протяженность осадков, связанных с MJO, варьируются от случая к случаю, поэтому их следует рассматривать только как общую зависимость. [34]
В 2019 году Ростами и Цейтлин [35] сообщили об открытии устойчивых, долгоживущих, медленно движущихся на восток крупномасштабных когерентных близнецовых циклонов, так называемых экваториальных модонов , с помощью влажно-конвективной вращающейся мелководной модели. Грубейшие баротропные особенности MJO, такие как распространение на восток вдоль экватора, медленная фазовая скорость, гидродинамическая когерентная структура, конвергентная зона влажно-конвекции, улавливаются модоном Ростами и Цейтлина. Наличие точного решения линий тока для внутренних и внешних областей экваториального асимптотического модона является еще одной особенностью этой структуры. Показано, что такие движущиеся на восток когерентные дипольные структуры могут быть созданы во время геострофической корректировки локализованных крупномасштабных аномалий давления в диабатической влажно-конвективной среде на экваторе. [36]
В 2020 году исследование показало, что процесс релаксации (подстройки) локализованных крупномасштабных аномалий давления в нижней экваториальной тропосфере [37] генерирует структуры, сильно напоминающие события колебания Маддена-Джулиан (MJO), как видно из полей завихренности, давления и влажности. Действительно, показано, что бароклинность и влажная конвекция существенно меняют сценарий квазибаротропной «сухой» подстройки, который был установлен в рамках однослойной модели мелкой воды и заключается в излучении в длинноволновом секторе экваториальных волн Россби с дипольной меридиональной структурой на запад и экваториальных волн Кельвина на восток. Если влажная конвекция достаточно сильна, дипольная циклоническая структура, возникающая в процессе адаптации как реакция волны Россби на возмущение, трансформируется в когерентную модоноподобную структуру в нижнем слое, которая через зону усиленной конвекции соединяется с бароклинной волной Кельвина и на начальных стадиях процесса создает самоподдерживающуюся, медленно распространяющуюся на восток зонально-диссимметричную квадрупольную картину вихреобразования.
В 2022 году Ростами и др . [38] выдвинули свою теорию. С помощью новой многослойной псевдоспектральной влажно-конвективной модели Thermal Rotating Shallow Water (mcTRSW) в полной сфере они представили возможную экваториальную корректировку за пределами механизма Гилла для генезиса и динамики MJO. Согласно этой теории, распространяющаяся на восток структура, похожая на MJO, может быть сгенерирована самоподдерживающимся и самодвижущимся образом из-за нелинейной релаксации (корректировки) крупномасштабной положительной аномалии плавучести, подавленной аномалии или их комбинации, как только эта аномалия достигает критического порога при наличии влажно-конвекции на экваторе. Этот эпизод, подобный MJO, обладает конвективно связанной «гибридной структурой», которая состоит из «квазиэкваториального модона» с усиленной вихревой парой и конвективно связанной бароклинной волны Кельвина (BKW) с большей фазовой скоростью, чем у дипольной структуры во внутрисезонной шкале времени. Взаимодействие BKW, после обхода всего экватора, с новой крупномасштабной аномалией плавучести может способствовать возбуждению повторяющегося поколения следующего цикла структуры, подобной MJO. В целом, сгенерированная «гибридная структура» охватывает несколько самых грубых особенностей MJO, включая ее квадрупольную структуру, конвективную активность, модели конденсации, поле завихренности, фазовую скорость, а также западные и восточные притоки в нижней и верхней тропосфере. Хотя в этой теории конвекция, подпитываемая влагой, является необходимым условием для возбуждения и поддержания «гибридной структуры» в предлагаемой теории, она принципиально отличается от мод с влажностью. Поскольку баротропный экваториальный модон и BKW также существуют в «сухих» средах, в то время как в теориях мод с влажностью нет подобных «сухих» динамических базовых структур. Предлагаемая теория может быть возможным механизмом для объяснения генезиса и основной структуры MJO и для сближения некоторых теорий, которые ранее казались расходящимися.
MJO проходит участок длиной 12 000–20 000 км над тропическими океанами, в основном над Индо-Тихоокеанским теплым бассейном , где температура океана обычно выше 28 °C. Этот Индо-Тихоокеанский теплый бассейн быстро нагревается, изменяя время пребывания MJO над тропическими океанами. В то время как общая продолжительность жизни MJO остается в пределах 30–60 дней, время его пребывания сократилось над Индийским океаном на 3–4 дня (в среднем с 19 до 15 дней) и увеличилось на 5–6 дней над западной частью Тихого океана (в среднем с 18 до 23 дней). [39] Это изменение времени пребывания MJO изменило характер осадков по всему миру. [39] [40]
