Взаимосвязь компонентов тепло- и влагообмена во внутритропической зоне конвергенции по данным спутникового архива Reanalysis-2

Внутритропическая зона конвергенции (ВЗК) является важнейшей частью климатической системы и в значительной степени определяет современные изменения глобального климата (Byrne, Schneider, 2016; Basconcillo et al., 2021; Малинин, Вайновский, 2021а, 2021б). Огромное значение ВЗК проявляется в формировании парникового эффекта (ПЭ). На экваторе коротковолновые и длинноволновые потоки радиации достигают максимальных значений. Естественно, ПЭ здесь тоже максимален. Для его количественной оценки могут быть использованы радиационные индексы Ga (atmosphere greenhouse effect parameter), который представляет разность между собственным длинноволновым излучением на подстилающей поверхности и на верхней границе атмосферы (Raval, Ramanathan, 1989) и Gs (surface greenhouse effect parameter), означающий противоизлучение атмосферы (Boer, 1993). Отсюда видно, что Ga характеризует величину ПЭ всей атмосферы, а Gs – у подстилающей поверхности. До настоящего времени многие закономерности пространственно-временной изменчивости индексов Gа и Gs в ВЗК практически не известны. Для их расчета, а также оценки параметров тепло- и влагообмена между океаном и атмосферой за 40-летний период (1979–2018 гг.) в океанической части ВЗК (10 с.ш.–10 ю.ш.) использован хорошо известный спутниковый архив NCEP–DOE Atmospheric Model Intercomparison Project (AMIP-II) reanalysis (Reanalysis-2). Из данного архива выбирались среднемесячные значения характеристик длинноволнового радиационного баланса, влагообмена между океаном и атмосферой (осадки P, испарение E, влагосодержание атмосферы ВА), а также температуры воздуха (ТА) и температуры поверхности океана (ТПО), которые усреднялись по 10-градусным широтным зонам отдельных океанов и для области ВЗК в целом.
При анализе межгодовой изменчивости индексов Ga и Gs выявлено наличие за 40-летний период значимого положительного тренда в Gs и его отсутствие в Ga. При этом в Ga отмечены локальные тренды: уменьшение Ga до 1999 г. и его рост после него. Корреляция между индексами равна r = 0,68.
Результаты детального статистического анализа компонентов тепло- и влагообмена друг с другом и с индексами Ga и Gs позволили составить концептуальную схему взаимосвязи межгодовой изменчивости гидрометеорологических параметров в ВЗК. Все связи основаны на высокой (r=0,75―0,95) корреляции между этими параметрами. В схеме два блока взаимодействия, которые связаны друг с другом. Центральный элемент в этой схеме ― ВА, которое является важным климатообразующим фактором (Малинин и др. 2018). Оно одновременно влияет на формирование изменчивости Ga, на тренд и изменчивость Gs.
Рассмотрим вначале первый блок процессов - блок влагообмена. В результате повышения (понижения) ВА происходит усиление (ослабление) индекса Ga. В результате повышается (понижается) температура тропосферы, усиливается (ослабляется) конвекция и как следствие возрастает (уменьшается) количество выпадающих осадков. Однако мощный тренд в осадках может вызываться только под влиянием испарения. В данном случае в его формировании принимают участие обе широтные зоны, причем зона южней экватора является определяющей.
Другое важное следствие процессов влагоообмена состоит в том, что на изменчивость разности Р―Е доминирующее влияние оказывают осадки. Поэтому тренд и изменчивость Р―Е в значительной степени влияют на формирование тренда и изменчивости ВА. Далее эта последовательность процессов в блоке процессов влагообмена будет повторяться.
Рассмотрим теперь второй блок процессов - блок теплообмена. Влияние ВА на индекс Gs является доминирующим. В результате ПЭ повышается температура воздуха и воды поверхностного слоя океана. Вследствие положительной обратной связи происходит определенное влияние ТА на ВА, которое затем через ПЭ воздействует обратно на ТА. Итак, ТА и Р―Е примерно одинаково влияют на изменчивость ВА. Однако тренд в ВА формируется исключительно за счет процессов влагообмена, так как тренды в Р и Е в разы превышают тренд в ТА. Отметим также, что тренд и межгодовая изменчивость испарения по существу контролируются вертикальным градиентом температуры ΔТ в приводном слое вследствие того, что другой важнейший фактор формирования испарения – скорость ветра – имеет малую изменчивость в пассатной зоне океана, а перепад влажности почти функционально зависит от перепада температуры.
Особого внимания в схеме заслуживают осадки в зоне ВЗК севернее экватора. Здесь они имеют максимальные значения, максимальные положительные тренды, а с учетом огромного количества тепла, выделяемого в атмосферу при конденсации водяного пара, именно осадки определяют интенсивность восходящей ветви ячейки Хэдли. Если ВЗК является локомотивом современных изменений климата (Малинин В.Н., Вайновский П.А., 2021а,б), то осадки служат «топливом» меридиональной циркуляции атмосферы, причем их влияние не ограничивается ячейкой Хэдли, а распространяется и на ячейку Ферреля. При этом доминирующее влияние на осадки оказывают всего два параметра: ПЭ в тропосфере, определяемый по индексу Ga, и испарение в зоне 0–10 ю.ш., которые описывают 87 % дисперсии межгодовой изменчивости осадков в главной зоне ВЗК – севернее экватора. В зоне южнее экватора вклад этих параметров в дисперсию осадков в данной зоне составляет 69 %.
Безусловно, схема на рисунке нуждается в дополнительной проверке и подтверждении с использованием других данных и методов дистанционного зондирования Земли из космоса. Прежде всего, это касается компонентов влагообмена между океаном и атмосферой, ибо ситуация с определением испарения и особенно осадков по данным спутниковых архивов (HOAPS-3, PMWC, MERRA, ERA-40, CFSR и др.) свидетельствует об их весьма низкой точности (Малинин, Гордеева, 2016). Поскольку альтернативы спутниковой информации нет, то совершенствование старых и разработка новых дистанционных методов измерений и расчетов составляющих водного баланса над океаном остается крайне важной актуальной задачей современной гидрометеорологии.

Работа выполнена в рамках государственного контракта FSZU-2020-0009 «Исследование физических, химических и биологических процессов в атмосфере и гидросфере в условиях изменения климата и антропогенных воздействий».