Изменения стратификации верхнего слоя океана контролируют сдвиг амплитуды ENSO при продолжительном глобальном потеплении

Почему смещение ритмов Тихого океана имеет значение

Эль-Ниньо — Южная колебание (ENSO) — один из самых мощных климатических ритмов Земли, колеблющийся между тёплыми фазами Эль-Ниньо и холодными фазами Ла-Нинья, которые перестраивают осадки, штормы и морскую биоту по всему миру. По мере потепления планеты учёные ожидают изменения ENSO — но не в простом линейном виде. В этой работе поставлен на вид казалось бы простой, но важный вопрос: как слоистость тёплой и холодной воды в верхнем океане определяет, станут ли будущие события Эль-Ниньо сильнее, слабее или просто иными?

Как меняется маятник Тихого океана

Климатические модели, используемые в международных оценках, показывают, что сила ENSO не просто увеличивается или уменьшается при продолжении выбросов парниковых газов. Вместо этого его колебания следуют трёхэтапной схеме в течение последующих столетий. В рассматриваемых здесь симуляциях колебания температуры, связанные с ENSO, в центральной части Тихого океана относительно слабы примерно с 1940 по 1990 годы, затем увеличиваются в середине и во второй половине XXI века и снова уменьшаются после приблизительно 2100 года — несмотря на продолжающееся глобальное потепление. Понимание причин такого немонотонного поведения имеет решающее значение для прогнозирования будущих засух, наводнений и экстремальных тепловых явлений, связанных с Эль-Ниньо и Ла-Нинья.

Скрытая архитектура верхнего слоя океана

ENSO чувствителен к фоновой структуре тропического Тихого океана. Авторы сосредотачиваются на трёх аспектах: на том, насколько резко океан стратифицирован по плотности, на характерной картине поверхностных течений и температур, а также на глубине и резкости термоклина — переходной зоны между тёплыми поверхностными водами и более холодными водами снизу. На основе восьми климатических моделей, все из которых демонстрируют трёхэтапную картину ENSO, авторы описывают, как эти характеристики эволюционируют при сценарии высоких выбросов в период с 1900 по 2300 год. Со временем верхние 100–150 метров становятся более сильно стратифицированными, поверхностные течения ослабевают, экваториальное апвеллинг, приносящий холодную воду на поверхность, уменьшается, а термоклин поднимается и уплотняется.

Упрощённая модель для выделения ключевых факторов

Чтобы распутать причину и следствие, в исследовании используется промежуточная связанная модель, отражающая только основную физику взаимодействия атмосферы и моря, необходимую для генерации ENSO. Важное преимущество этой модели в том, что её можно запускать на фоне заранее заданных океанических условий, взятых непосредственно из более крупных климатических моделей. Команда формирует отдельные климатологические фоновые состояния для трёх репрезентативных периодов — середины XX века, конца XXI века и конца XXIII века — и использует их для управления упрощённой моделью. Несмотря на относительную простоту, эта схема достоверно воспроизводит наблюдаемый трёхэтапный сдвиг в силе ENSO: сначала слабый, затем сильный, затем снова слабый. Такой успех позволяет авторам проводить контролируемые эксперименты, в которых они поочерёдно заменяют только один компонент фона — стратификацию, поля на поверхности или структуру термоклина — при неизменных остальных условиях.

Как слойность океана направляет энергию ветра

Суть анализа заключается в том, как ветры над Тихим океаном проецируют свою энергию на вертикальные паттерны вибрации, или моды, океана. Эти моды описывают, заставляет ли волнение ветра в основном ворошить поверхностный слой или смещать термоклин на глубине. По мере того как потепление климата изменяет профиль плотности, сила связи ветра с первыми несколькими модами меняется по-разному в три рассмотренных периода. С исторической эпохи до конца XXI века усиление стратификации усиливает связь ветров как с поверхностно-сконцентрированными, так и с термоклин-ориентированными модами, усиливая обратные связи, которые развивают события Эль-Ниньо и Ла-Нинья. После 2100 года дальнейшее усиление поверхностного слоя сопровождается относительным ослаблением стратификации на глубине. Это перераспределяет энергию ветра: ведущая поверхностная мода ослабевает, тогда как более глубокая мода усиливается в западной и центральной частях Тихого океана. Эти два эффекта частично компенсируют друг друга у поверхности, делая океан менее отзывчивым на те же аномалии ветра и, следовательно, снижая амплитуду ENSO.

Баланс усилителей и тормозов

Чувствительные эксперименты показывают, что стратификация является главным усилителем вариабельности ENSO, тогда как изменения фоновых поверхностных течений, температур и структуры термоклина в основном действуют как тормоза. В конце XXI века усиливающее влияние возросшей стратификации перевешивает демпфирующие факторы, что приводит к более сильным колебаниям Эль-Ниньо и Ла-Нинья. К концу XXIII века вертикальная перестройка стратификации ослабляет её суммарное усиление ENSO, в то время как демпфирование со стороны изменённых поверхностных течений и свойств термоклина сохраняется или усиливается. В итоге реакция температуры поверхности моря на ветер уменьшается, даже при более устойчивой слоистости океана.

Что это значит для нашего климатического будущего

Для неспециалиста главный вывод таков: то, как организована слоистость океана — а не только его нагрев — сильно формирует будущее поведение Эль-Ниньо. Исследование показывает, что более толстая шапка тёплой воды не обязательно означает более бурные колебания ENSO; вместо этого тонкие смещения в распределении энергии ветра между поверхностными и глубокими слоями сначала могут усилить, а затем подавить естественные колебания Тихого океана. Предоставляя ясную количественную схему, связывающую эволюцию структуры океана с силой ENSO, эта работа помогает объяснить кажущиеся противоречивыми результаты моделей и даёт дорожную карту для проверки устойчивости этих прогнозов в более широком наборе климатических сценариев.

Цитирование: Zhang, RH., Chen, M., Gao, C. et al. Upper-ocean stratification changes control ENSO amplitude shift under sustained global warming. Nat Commun 17, 3126 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69931-x

Ключевые слова: Эль-Ниньо — Южная колебание (ENSO), стратификация океана, тропический Тихий океан, изменение климата, климатическое моделирование