Исследователей долгое время озадачивало наблюдаемое похолодание восточной тропической части Тихого океана и Южного океана, сопровождающее глобальное потепление. Существующие климатические модели не смогли воспроизвести эту закономерность. В Институте метеорологии им. Макса Планка исследователи значительно приблизились к ответу: используя новое поколение более физически обоснованных климатических моделей, они впервые успешно представили наблюдаемую тенденцию в климатической симуляции и предложили объяснение лежащих в её основе механизмов.
Уже более десяти лет исследователи климата по всему миру недоумевают по поводу одного явления в Тихом океане: в то время как глобальное потепление прогрессирует и температура повышается почти во всем мире, восточная тропическая часть Тихого океана и тихоокеанский сектор Южного океана за последние 45 лет охладились.
Традиционные климатические модели, используемые в рамках проекта сравнения связанных моделей (CMIP), результаты которых включены в доклады Межправительственной панели по изменению климата (IPCC), не отражают эту особенность. Хотя сообщество исследователей климата выдвинуло ряд гипотез, убедительного объяснения наблюдаемой закономерности до сих пор не было.
Изменения температуры поверхности моря в тропической части Тихого океана влияют не только на региональный климат, но и на общий масштаб глобального потепления. Следовательно, неспособность воспроизвести историческую тенденцию вызывает вопросы о надежности краткосрочных климатических прогнозов в глобальном масштабе, не говоря уже о региональных закономерностях потепления, имеющих решающее значение для разработки мер адаптации. Таким образом, «тихоокеанская загадка» была определена Всемирной программой климатических исследований как одна из наиболее актуальных проблем климатологии.
Исследователи из Института метеорологии им. Макса Планка (MPI-M) недавно достигли важного результата, который открывает путь к решению проблемы. Используя климатическую модель, беспрецедентное разрешение которой в 5 км в океане и 10 км в атмосфере позволяет ей более физически адекватно представлять основные процессы, они впервые успешно воспроизвели наблюдаемую картину температуры поверхности моря в Тихом океане.
Группа исследователей под руководством директора Института Макса Планка-Меллона Сары Канг также представила обоснованное объяснение физических механизмов, ответственных за наблюдаемое похолодание. Анализ был частью работы, в которой участвовали все отделы института. «Это был фантастический, эффективный совместный проект между специалистами по моделированию, исследователями атмосферы и океанографами, и результат превосходен», — говорит Канг. Их статья опубликована в журнале « Proceedings of the National Academy of Sciences».
Вихри играют решающую роль в представлении процесса похолодания в Южном океане.
Мезомасштабные океанические вихри, размером в несколько десятков километров, повсеместно распространены в Южном океане и играют ключевую роль в переносе тепла к полюсам, но они не представлены в моделях CMIP с более низким разрешением. В отличие от этого, вихри явно представлены в модели ICON , использованной в исследовании MPI-M, благодаря ее сетке с шагом 5 км в океане. Под поверхностью океана эти вихри переносят тепло к полюсам через Антарктическое циркумполярное течение (АКТ), которое отделяет Тихий океан от Южного океана.
Моделирование показывает, что по мере того, как Южный океан подвергается воздействию потеплеющей атмосферы, перенос тепла в направлении полюсов вихрями через Антарктическое циркумполярное течение (АКТ) ослабевает. В то же время избыточное тепло, поступающее из атмосферы, быстро переносится АКТ в другие бассейны. В конечном итоге, это динамическое взаимодействие охлаждает верхние 2000 м воды в тихоокеанском секторе Южного океана и вызывает смещение АКТ к северу, тем самым расширяя площадь океана, покрытую полярными водами.
Охлаждение передается в субтропическую часть Тихого океана через океанические и атмосферные пути из Южного океана. Это усиливает уже существующую аномалию высокого давления у побережья Южной Америки. В результате усиливаются юго-восточные пассаты, дующие оттуда в направлении экватора; они охлаждают поверхность моря за счет испарения и создают низкие слоисто-кучевые облака, которые отражают поступающее солнечное излучение, способствуя дальнейшему охлаждению.
Достаточно сильная обратная связь от облака
В некоторых моделях CMIP эта обратная связь, обусловленная облачностью, достаточно сильна. В модели ICON она достаточно сильна, чтобы усилить охлаждение восточной тропической части Тихого океана до реалистичного уровня. Более мелкая сетка ICON играет в этом важную роль, поскольку она позволяет получать большие амплитуды в отдельных ячейках сетки по сравнению с более крупными сетками, где значения усредняются по большей площади.
Кроме того, рельеф южноамериканских Анд представлен более точно, что позволяет модели лучше имитировать воздействие гор, защищающих холодные воды от восточных потоков над Амазонкой, а также лучше отображать прибрежные ветровые системы, которые, как ожидается, способствуют образованию низких облаков в модели.
Ожидалось, что высокоточная модель, подобная ICON, внесет значительный вклад в решение тихоокеанской проблемы, поскольку представление мезомасштабных океанических вихрей и обратной связи от облаков играет столь важную роль. Теперь же такая высокоточная симуляция стала технически осуществимой благодаря проектам ЕС, таким как European Eddy-Rich Earth System Models (EERIE) и Next Generation Earth Model Systems (nextGEMS), а также проекту WarmWorld.
«Хотя моделирование с высоким разрешением не является решением всех проблем, оно выявляет ранее недоступный механизм, возникающий в результате процессов, которые не представлены в моделях CMIP в явном виде», — говорит Кан. По словам авторов, следующим шагом является определение того, какие особенности модели ICON способствуют этому улучшению и предлагают ли они новые возможности для прогнозирования будущих событий.
