Понимать облака для того, чтобы предвидеть будущий климат

Облака и режимы крупномасштабной циркуляции^[1][2][3]

На спутниковых изображениях нашей планеты в видимом и инфракрасном диапазонах облака всегда показаны в увязке и взаимодействии с крупными спиральными и вихревыми движениями атмосферной циркуляции. Анимация последовательных неподвижных изображений облаков может дать четкую документальную фиксацию этих циркуляционных движений. Но что, если процессы и системы формирования облаков вместо того, чтобы выступать в качестве конечных результатов и индикаторов крупномасштабной циркуляции, на самом деле влияют на нее и определяют ее режимы.

Нам известно, что облака подвергаются процессам конденсации и испарения и взаимодействуют с солнечной и инфракрасной радиацией по мере того, как проходят свои индивидуальные циклы формирования, созревания и рассеяния. Кроме того, нам известно, что мезомасштабные восходящие и нисходящие потоки формируются внутри облачных систем. Можно ожидать, что эти термодинамические и динамические процессы оказывают влияние на перенос тепла, влаги и количества движения и стимулируют волны и турбулентность, возмущающие локальные условия и в то же время корректирующие состояние атмосферы в крупном масштабе. Посредством таких локальных и отдаленных воздействий облака влияют на статическую устойчивость атмосферы, сдвиг ветра и меридиональные градиенты температуры.

На основе этих фактов можно предположить, что облака воздействуют на структуру, местоположение и интенсивность мелкомасштабных возмущений, таких как тропические и внетропические циклоны, и более крупных процессов масштаба полушария, таких как струйные течения в средних широтах. Чтобы понять воздействие более теплого и влажного климата в региональном и глобальном масштабах, нам необходимо повысить наши возможности для описания и интерпретации причинно-следственной связи между облаками и циркуляцией. Сильные стороны и недостатки нашего текущего понимания этой взаимосвязи можно проиллюстрировать, рассмотрев четыре различных области.

Задача 1: Конвекция и чувствительность климата

Чувствительность климата, т. е. насколько повысится температура в ответ на увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере, остается одним из самых важных вопросов в исследованиях климата. В последних работах факторы, влияющие на чувствительность климата, были разделены на факторы, которые известны и достоверны, и факторы, которые менее изучены, в основном – обратные связи облаков. Несмотря на то, что некоторым аспектам обратной связи облаков дано объяснение, например аспектам, касающимся вертикальной протяженности мощных облаков или облаков пограничного слоя над океаном, более фундаментальный вопрос остается без ответа: взаимосвязь между облаками и конвекцией в условиях сегодняшнего и будущего климата. Очевидно, что неопределенность, касающаяся обратных связей облаков, большей частью обусловлена тем, что сегодня описание конвективного перемешивания в моделях находится в зачаточном состоянии. Научно-исследовательскому сообществу необходимо рассматривать проблему конвекции на систематической основе, используя как более качественные наблюдения, так и иерархию всеобъемлющих и сконцентрированных на конвекции моделей, ориентированных на ненарушенные естественные морские условия и дистанционные измерения водяного пара нижнего слоя тропосферы. Акцент сообщества на вопросе конвекции приведет к существенному прогрессу и окажет значительное влияние, учитывая ключевую взаимосвязь этого вопроса с обратными связями облаков и чувствительностью климата.

Задача 2: Траектории циклонов

Несмотря на то, что нам известно, что поскольку облака сопутствуют процессу смещения траекторий циклонов, то они влияют на градиенты температуры, которые приводят к возникновению циклонов, мы только начинаем понимать то множество связей, посредством которых облака связаны с траекториями циклонов. Относительно крупный масштаб траекторий циклонов делает их особенно пригодными для подходов с использованием иерархического моделирования в облачно-разрешающем и глобальном масштабах. Эти подходы могут улучшить наше понимание того, как влажные процессы вдоль фронтальных систем, взаимодействие с циркуляцией в океане и радиационный эффект облаков совместно и во взаимодействии влияют на развитие циклонов и структуру траекторий циклонов.

По мере эволюции моделей и нашего понимания, вполне вероятно, что использование палеоклиматических реконструкций и моделей для оценки, например, того, как изменения траекторий штормов могли влиять на изменения во всем гидрологическом цикле в прошлом, будет расти. Более глубокое понимание динамики траекторий штормов в прошлом и настоящем повысит наши возможности по предсказанию будущих изменений.

Задача 3: Пояса тропических дождей

Воздействие климата, которое ведет к изменениям в интенсивности, ширине и местоположении поясов тропических дождей почти наверняка подразумевает обратные связи облаков. В комплексном взаимодействии воздействия и обратной связи локализованные процессы в облаках стимулируют изменения в циркуляции в масштабе полушария и всего земного шара, которые в свою очередь влияют на местоположение и интенсивность поясов дождей. Например, мезомасштабная циркуляция, вызванная конвекцией, по-видимому, влияет на распространение муссонов в направлении полюса, а циркуляция в масштабе всей планеты может распространить влияние поясов дождей на удаленные внетропические области. Посредством похожего сочетания местных термодинамических и крупномасштабных динамических процессов источники тепла в высоких широтах могут вызвать перемещение поясов тропических дождей на большие расстояния.  

В современных моделях климата дефицит облачности над Южным океаном служит причиной нагревания всего Южного полушария, вызывая чрезмерные осадки в южных тропиках и создавая почву для слишком мощного южного участка внутритропической зоны конвергенции. Похожие, связанные с облаками факторы помогают объяснить, почему охлаждение воздуха в одном полушарии, вызванное аэрозолями или увеличением ледяных щитов, подталкивает пояса тропических дождей в направлении противоположного полушария. Надлежащее моделирование процессов, происходящих в облаках, и связей между облаками и циркуляцией позволит нам не только понять имевшие место в прошлом изменения в местоположении и интенсивности поясов дождей, но и предсказать изменения, которые будут иметь место в будущем. «Надлежащее» моделирование в данном случае потребует скоординированного применения иерархии моделей, чтобы проработать конкретные гипотезы, руководствуясь достоверными сведениями об изменениях, имевших место в прошлом.

Задача 4: Агрегация

Мы знаем, что облака и процессы конвекции, которые инициируют формирование облаков, имеют тенденцию к агрегации и образованию организованных структур, и что эти организованные структуры могут играть определенную роль в динамике климатической системы. Последние результаты идеализированного моделирования показали, что конвекция может осуществлять процесс агрегации спонтанно в отсутствии внешних движущих факторов, обеспечивая почву для концепции «самоагрегации». Моделирование в облачно-разрешающем масштабе предполагает, что случаи самоагрегации могут быть более частыми по мере роста температуры, а вычисления с использованием моделей и данные наблюдений предполагают, что более масштабная агрегация приводит к тому, что атмосфера становится более сухой и ясной и более эффективно излучает тепло в околоземное пространство. Таким образом, агрегация конвективных процессов может подвергнуть обратной связи изменения климата, вызванные другими факторами влияния, и способствовать изменениям в экстремальных явлениях.

Присутствие организованных структур в масштабах от десятков до сотен километров выявляет возможность для широкомасштабных воздействий, включая упомянутую выше взаимосвязь между обратными связями облаков и поясами тропических дождей. По мере того, как уровень понимания и моделирования растет, можно ожидать инновационных результатов моделирования для изучения процессов агрегации с использованием крупномасштабных моделей одновременно с процессами дезагрегации с использованием мелкомасштабных моделей. Такой комплекс средств и подходов непременно потребуется, чтобы оценить, как агрегация конвективных процессов влияет на климат.

И снова облака, конвекция и циркуляция

Как показывают четыре рассмотренные темы, облака не только действуют в качестве индикаторов турбулентного состояния атмосферы, но также охватывают процессы, которые могут активно контролировать циркуляцию и климат. В каждом примере встает вопрос о глубоком и комплексном взаимодействии между облаками, конвекцией и крупномасштабной циркуляцией, при этом облака и конвекция играют определяющую роль.

Принимая во внимание сильную зависимость режимов регионального климата и экстремальных явлений от крупномасштабной циркуляции, важно ориентировать исследования климата на то, чтобы понять и то, как облака и конвекция влияют на динамику атмосферы, и то, как это влияние изменится, когда тропосфера станет более теплой и влажной, стратосфера станет более прохладной, а криосфера уменьшится в размерах. Прогресс в понимании взаимосвязи между облаками, циркуляцией и чувствительность климата является основным показателем наших возможностей для предвидения будущего климата.

Это совсем недавно полученное дневное изображение региона Карибского моря показывает богатое разнообразие особенностей и организационных структур облаков над океаном и сушей.