Температура поверхности моря - Sea surface temperature

Температура поверхности суши повышается быстрее, чем температура океана, поскольку океан поглощает около 92% избыточного тепла, генерируемого изменением климата . Диаграмма с данными НАСА, показывающая, как температура воздуха на суше и на море изменилась по сравнению с доиндустриальным исходным уровнем.
Это ежедневный набор данных глобальной температуры поверхности моря (SST), полученный 20 декабря 2013 г. с разрешением 1 км (также известный как сверхвысокое разрешение) группой JPL ROMS (Региональная система моделирования океана).
Средненедельная средняя температура поверхности моря в Мировом океане в течение первой недели февраля 2011 года в период Ла-Нинья .
Температура поверхности моря и потоки

Температура поверхности моря ( ТПМ ) или температура поверхности океана - это температура воды, близкая к поверхности океана . Точное значение поверхности зависит от используемого метода измерения, но оно находится на глубине от 1 миллиметра (0,04 дюйма) до 20 метров (70 футов) ниже поверхности моря . Воздушные массы в атмосфере Земли сильно изменяются под воздействием температуры поверхности моря на небольшом расстоянии от берега. Локализованные участки сильного снега могут формироваться полосами с подветренной стороны от теплых водоемов в пределах иначе холодной воздушной массы. Известно, что высокие температуры поверхности моря являются причиной тропического циклогенеза над океанами Земли . Тропические циклоны также могут вызывать прохладный след из-за турбулентного перемешивания в верхних 30 метрах (100 футов) океана. ТПМ меняется в течение суток, как и воздух над ним, но в меньшей степени. В ветреные дни вариации ТПМ меньше, чем в безветренные. Кроме того, океанические течения, такие как Атлантическое многодесятилетнее колебание (AMO), могут влиять на ТПМ в многодесятилетных временных масштабах, причем основное влияние оказывает глобальная термохалинная циркуляция, которая значительно влияет на средние ТПМ в большинстве океанов мира.

Температура океана связана с теплосодержанием океана , что является важной темой при изучении изменения климата .

Прибрежные ТПМ могут вызывать прибрежные ветры, вызывающие апвеллинг , который может значительно охладить или нагреть близлежащие участки суши, но более мелкие воды на континентальном шельфе часто теплее. Береговые ветры могут вызвать значительное разогревание даже в районах, где апвеллинг довольно постоянен, например, на северо-западном побережье Южной Америки . Его значения важны при численном прогнозировании погоды, поскольку ТПМ влияет на атмосферу выше, например, на формирование морского бриза и морского тумана . Он также используется для калибровки измерений с метеорологических спутников .

Измерение

Температурный профиль поверхностного слоя океана (а) ночью и (б) днем

Существует множество методов измерения этого параметра, которые потенциально могут дать разные результаты, потому что на самом деле измеряются разные вещи. Вдали от непосредственной поверхности моря общие измерения температуры сопровождаются ссылкой на определенную глубину измерения. Это связано со значительными различиями между измерениями, выполненными на разных глубинах, особенно в дневное время, когда низкая скорость ветра и высокие солнечные условия могут привести к образованию теплого слоя на поверхности океана и сильным вертикальным градиентам температуры (суточный термоклин ). Измерения температуры поверхности моря ограничиваются верхней частью океана, известной как приповерхностный слой.

Термометры

ТПМ была одной из первых океанографических переменных, подлежащих измерению. Бенджамин Франклин подвесил ртутный термометр на корабле во время путешествия между Соединенными Штатами и Европой во время своего исследования Гольфстрима в конце восемнадцатого века. Позднее SST была измерена путем погружения термометра в ведро с водой, которое вручную набирали с поверхности моря. Первый автоматизированный метод определения SST был реализован путем измерения температуры воды во входном порте больших судов, которое началось к 1963 году. Эти наблюдения имеют смещение в сторону тепла около 0,6 ° C (1 ° F) из-за высокой температуры воды. машинное отделение. Эта предвзятость привела к изменениям в восприятии изменения климата с 2000 года. Неподвижные метеорологические буи измеряют температуру воды на глубине 3 метра (9,8 фута). Измерения SST имели несоответствия за последние 130 лет из-за способа их проведения. В девятнадцатом веке измерения проводились в ведре корабля. Однако из-за разницы в ведрах температура немного различалась. Образцы собирали либо в деревянное, либо в неизолированное брезентовое ведро, но брезентовое ведро остывало быстрее, чем деревянное. Внезапное изменение температуры между 1940 и 1941 годами было результатом недокументированного изменения процедуры. Образцы были взяты возле забора двигателя, потому что было слишком опасно использовать огни для измерения на борту корабля в ночное время. В мире существует множество различных дрейфующих буев, которые различаются по конструкции, и расположение надежных датчиков температуры варьируется. Эти измерения передаются на спутники для автоматического и немедленного распространения данных. Большая сеть прибрежных буев в водах США поддерживается Национальным центром буев данных (NDBC). В период с 1985 по 1994 год в экваториальной части Тихого океана был развернут обширный набор пришвартованных и дрейфующих буев, предназначенных для помощи в отслеживании и прогнозировании явления Эль-Ниньо .

Метеорологические спутники

ТПМ 2003–2011 гг. По данным MODIS Aqua

Метеорологические спутники стали доступны для определения информации о температуре поверхности моря с 1967 года, а первые глобальные композиты были созданы в 1970 году. С 1982 года спутники все чаще используются для измерения ТПО и позволяют более полно рассматривать его пространственные и временные изменения. Спутниковые измерения SST разумно согласуются с измерениями температуры на месте . Спутниковое измерение выполняется путем измерения излучения океана на двух или более длинах волн в инфракрасной части электромагнитного спектра или в других частях спектра, которые затем могут быть эмпирически связаны с SST. Эти длины волн выбраны потому, что они:

  1. в пределах пика излучения черного тела, ожидаемого от Земли, и
  2. способен адекватно передавать через атмосферу

Спутниковые измерения SST обеспечивают как синоптический вид океана, так и высокую частоту повторных изображений, что позволяет исследовать динамику верхнего слоя океана в масштабе всего бассейна, невозможную с помощью кораблей или буев. Спутники SST НАСА (Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства) с визуализацией умеренного разрешения (MODIS) с 2000 года предоставляют глобальные данные SST с задержкой в ​​один день. Спутники NOAA GOES (геостационарные орбитальные спутники Земли) являются геостационарными над Западным полушарием, что позволяет им доставлять данные SST на ежечасной основе с задержкой всего в несколько часов.

Есть несколько трудностей со спутниковыми измерениями абсолютной ТПО. Во-первых, в методологии инфракрасного дистанционного зондирования излучение исходит от верхней "кожи" океана , приблизительно 0,01 мм или менее, что может не отражать общую температуру верхнего метра океана из-за, главным образом, эффектов нагрева поверхности Солнца во время в дневное время - отраженное излучение, а также ощутимая потеря тепла и поверхностное испарение. Все эти факторы несколько затрудняют сравнение спутниковых данных с измерениями, полученными с помощью буев или судовых методов, что усложняет наземные исследования. Во-вторых, спутник не может смотреть сквозь облака, создавая холодную погрешность в спутниковых SST в облачных областях. Однако пассивные микроволновые методы позволяют точно измерить ТПМ и проникнуть в облачный покров. В каналах атмосферных эхолотов на метеорологических спутниках , пик которых находится чуть выше поверхности океана, знание температуры поверхности моря важно для их калибровки.

Местная вариация

ТПМ имеет суточный диапазон , как и атмосфера Земли выше, хотя и в меньшей степени из-за большей удельной теплоемкости. В безветренные дни температура может колебаться на 6 ° C (10 ° F). Температура океана на глубине отстает от температуры атмосферы Земли на 15 дней на 10 метров (33 фута), что означает, что для таких мест, как Аральское море , температура у его дна достигает максимума в декабре и минимума в мае и июне. Около береговой линии морские ветры перемещают теплые воды у поверхности от берега и заменяют их более прохладной водой снизу в процессе, известном как транспорт Экмана . Эта модель увеличивает количество питательных веществ для морской флоры и фауны в регионе. В прибрежных дельтах рек пресная вода течет поверх более плотной морской воды, что позволяет ей быстрее нагреваться из-за ограниченного вертикального перемешивания. ТПМ с дистанционным зондированием можно использовать для обнаружения характеристик температуры поверхности из-за тропических циклонов . В целом, охлаждение ТПО наблюдается после прохождения урагана в основном в результате углубления смешанного слоя и поверхностных потерь тепла. После нескольких дневных вспышек пыли в Сахаре в прилегающей северной части Атлантического океана температура поверхности моря снизилась на 0,2–0,4 ° C (0,3–0,7 F). К другим источникам краткосрочных колебаний ТПО относятся внетропические циклоны , быстрые притоки ледниковой пресной воды и концентрированное цветение фитопланктона из-за сезонных циклов или сельскохозяйственных стоков.

Атлантическое многодесятилетнее колебание

Североатлантическая осцилляция (АМО) имеет важное значение для того, как внешних воздействий связаны с Северной Атлантикой ТПМИ.

Региональные вариации

Эль-Ниньо 1997 года, наблюдаемое TOPEX / Poseidon . Белые области у тропических побережий Южной и Северной Америки указывают на бассейн с теплой водой.

Эль-Ниньо определяется длительными различиями в температуре поверхности Тихого океана по сравнению со средним значением. Принятое определение - это потепление или похолодание не менее чем на 0,5 ° C (0,9 ° F), усредненное по восточно-центральной части тропического Тихого океана. Обычно эта аномалия возникает нерегулярно, в 2–7 лет, и длится от девяти месяцев до двух лет. Средняя продолжительность периода - 5 лет. Когда это потепление или похолодание длится всего семь-девять месяцев, оно классифицируется как «условия» Эль-Ниньо / Ла-Нинья; когда это происходит дольше этого периода, это классифицируется как «эпизоды» Эль-Ниньо / Ла-Нинья.

Признаком Эль-Ниньо в структуре температуры поверхности моря является распространение теплой воды с западной части Тихого океана и Индийского океана на восточную часть Тихого океана. Он уносит с собой дождь, вызывая обширную засуху в западной части Тихого океана и осадки в обычно засушливой восточной части Тихого океана. Теплый поток бедной питательными веществами тропической воды Эль-Ниньо, нагретой его восточным течением в Экваториальном течении, заменяет холодную, богатую питательными веществами поверхностную воду течения Гумбольдта . Когда условия Эль-Ниньо длятся в течение многих месяцев, сильное потепление океана и уменьшение восточных пассатов ограничивают апвеллинг холодной, богатой питательными веществами глубинной воды, и его экономическое воздействие на местный рыбный промысел для международного рынка может быть серьезным.

Значение для атмосферы Земли

Снежные полосы с эффектом моря у Корейского полуострова

Температура поверхности моря влияет на поведение атмосферы Земли над ними, поэтому важна их инициализация в атмосферных моделях . Хотя температура поверхности моря важна для тропического циклогенеза , она также важна для определения образования морского тумана и морского бриза. Тепло от нижележащих более теплых вод может значительно изменить воздушную массу на расстояниях от 35 километров (22 миль) до 40 километров (25 миль). Например, к юго-западу от внетропических циклонов Северного полушария изогнутый циклонический поток, несущий холодный воздух через относительно теплые водоемы, может привести к узким полосам снежного эффекта озера (или эффекта моря). Эти полосы приносят сильные локальные осадки , часто в виде снега , поскольку большие водоемы, такие как озера, эффективно хранят тепло, что приводит к значительной разнице температур - более 13 ° C (23 ° F) - между поверхностью воды и воздухом над ней. . Из-за этой разницы температур тепло и влага переносятся вверх, конденсируясь в вертикально ориентированные облака, которые вызывают снегопады. На снижение температуры с высотой и глубиной облаков напрямую влияет как температура воды, так и крупномасштабная среда. Чем сильнее понижается температура с высотой, тем выше становятся облака и тем больше выпадает количество осадков.

Тропические циклоны

Сезонные пики активности тропических циклонов во всем мире
Средние экваториальные температуры Тихого океана

Температура океана не менее 26,5 ° C (79,7 ° F ) на глубине не менее 50 метров является одним из предшественников, необходимых для поддержания тропического циклона (типа мезоциклона ). Эти теплые воды необходимы для поддержания теплого ядра , питающего тропические системы. Это значение намного превышает 16,1 ° C (60,9 ° F), долгосрочную среднюю глобальную температуру поверхности Мирового океана. Однако это требование можно рассматривать только как общую основу, поскольку оно предполагает, что окружающая атмосферная среда, окружающая область с нарушенной погодой, представляет собой средние условия. Тропические циклоны усилились, когда ТПМ были немного ниже этой стандартной температуры.

Известно, что тропические циклоны образуются даже при несоблюдении нормальных условий. Например, более прохладные температуры воздуха на большей высоте (например, на уровне 500  гПа или 5,9 км) могут привести к тропическому циклогенезу при более низких температурах воды, поскольку требуется определенная скорость падения, чтобы заставить атмосферу стать достаточно нестабильной для конвекции. . Во влажной атмосфере этот градиент составляет 6,5 ° C / км, в то время как в атмосфере с относительной влажностью менее 100% требуемый градиент составляет 9,8 ° C / км.

На уровне 500 гПа средняя температура воздуха в тропиках составляет -7 ° C (18 ° F), но воздух в тропиках обычно сухой на этой высоте, давая воздуху пространство для влажного термометра или охлаждения по мере увлажнения, до более благоприятной температуры, которая может поддерживать конвекцию. Температура по влажному термометру при 500 гПа в тропической атмосфере -13,2 ° C (8,2 ° F) требуется , чтобы инициировать конвекцию , если температура воды составляет 26,5 ° С (79,7 ° F), и это требование повышении температуры или пропорционально уменьшается 1 ° C температуры поверхности моря на каждый 1 ° C изменения при 500 гПа. Внутри холодного циклона температура 500 гПа может упасть до -30 ° C (-22 ° F), что может вызвать конвекцию даже в самой сухой атмосфере. Это также объясняет, почему влажность на средних уровнях тропосферы , примерно на уровне 500 гПа, обычно является требованием для развития. Однако, когда сухой воздух находится на той же высоте, температура на уровне 500 гПа должна быть еще более низкой, поскольку в сухой атмосфере требуется больший градиент нестабильности, чем во влажной атмосфере. На высотах около тропопаузы 30-летняя средняя температура (измеренная в период с 1961 по 1990 год) составляла -77 ° C (-132 ° F). Недавний пример тропического циклона , который поддерживается себя более холодные воды был Эпсилон из Атлантического сезона ураганов 2005 года .

Глобальное воздействие изменений температуры поверхности моря на морскую жизнь требует выполнения задач, поставленных в Цели 14 в области устойчивого развития Организации Объединенных Наций .

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки

Всеобщее достояние Эта статья включает материалы, являющиеся  общественным достоянием, с веб-сайтов или документы Национального управления океанических и атмосферных исследований .