Как рябь на воде управляет ветрами планеты ✎

Оригинал: "Zonal-mean circulation response to reduced air-sea momentum roughness"
arXiv:1606.00566 · 2016-06-02 · arXiv non-exclusive · собственный разбор · 2 мин
Крошечная шероховатость океанской глади при слабом ветре, уменьшенная в сто раз, заставляет струйные течения сдвигаться к полюсам.

Ветры планеты — не свободные потоки, а скорее послушные струи, которые можно подтолкнуть с неожиданной стороны. Океанская поверхность, покрытая волнами, действует как ручка настройки: стоит изменить её шероховатость, и гигантские воздушные реки сдвигаются на сотни километров.

В модели Земли без суши, где океан нагрет по-разному на разных широтах, уменьшили шероховатость поверхности при слабом ветре в сто раз. Это всё ещё в пределах того, что показывают полевые измерения над морем. Западные ветры средних широт после этого сдвинулись к полюсу на несколько градусов, а тропическая ячейка циркуляции, поднимающая воздух у экватора, ослабела примерно на четверть. Пояс дождей, который обычно сидит вблизи экватора, тоже сместился к полюсу.

Шероховатость поверхности — это мера того, насколько море «цепляет» ветер. Более гладкая поверхность меньше тормозит воздух у самой воды.

Механизм оказался не в трении. Когда поверхность стала гладкой, океан начал отдавать меньше тепла воздуху: и напрямую, и через испарение. Тропическая атмосфера от этого охладилась, а охлаждение перестроило всю циркуляцию от экватора до полюсов. Чтобы убедиться, провели эксперименты с «выключением» отдельных эффектов: меняли шероховатость только в тропиках или только в средних широтах, только для тепла или только для трения. Отклик запускался именно уменьшением потоков тепла в тропиках.

Отклик циркуляции похож на разницу между Ла-Нинья и Эль-Ниньо: струйные течения сдвигаются к полюсам, а тропическая ячейка ослабевает.

Руль, спрятанный в мелочах, оказался важнее, чем думали. Даже небольшие изменения параметров поверхности моря, которые находятся в пределах неопределённостей наблюдений, могут вызвать сдвиг ветров, сравнимый с естественными колебаниями климата. Раньше такие неопределённости связывали в основном с облаками и конвекцией, а поверхность считали второстепенной. Теперь ясно: чтобы понимать, куда дуют ветры планеты, нужно внимательно смотреть на рябь под ними.

В исходной параметризации CAM3 коэффициент сопротивления при слабом ветре (менее 5 м/с) может быть уменьшен в 100 раз, и это всё ещё находится в пределах разброса наблюдений, полученных в полевых кампаниях над океаном.

(\tau, E, H) = \rho_A |\Delta v| (C_D \Delta v, C_E \Delta q, c_p C_H \Delta \theta)
Потоки пропорциональны плотности воздуха, разности скоростей и разности температуры или влажности, умноженным на соответствующие коэффициенты обмена.
C_{DN} = \frac{\kappa^2}{\ln^2(10/Z_{0m})}
Коэффициент сопротивления зависит логарифмически от отношения высоты измерения (10 м) к шероховатости поверхности.
\partial_\phi \langle v h \rangle = \langle Q_R \rangle + L_v E + H \equiv F
Дивергенция потока влажной статической энергии уравновешивается суммой радиационного нагрева и потоков скрытого и явного тепла.
Понятия
ячейка Хэдли ла-нинья внутритропическая зона конвергенции циркуляция уокера обратная связь Бьеркнеса связь океана и атмосферы южная осцилляция модель Зебиака–Кейна эль-ниньо северное экваториальное противотечение океаническое течение океанический индекс нино напряжение ветра относительный они атмосферное давление энсо атлантическая мультидекадная осцилляция аномалия температуры поверхности моря связанная модель общей циркуляции поверхностное натяжение