M1 Gekoppelte interannuelle Variabilität

Thema

Die El-Niño-Südliche-Oszillation (ENSO) ist der wichtigste interannuelle Schwankungsmodus im Klimasystem und entspricht einer gekoppelten Oszillation zwischen Ozean und Atmosphäre des tropischen Pazifiks mit einer dominanten Periode von zwei bis sieben Jahren. Während eines El Niño steigt die Meeresoberflächentemperatur im zentralen und östlichen Pazifik anomal an, die Passatwinde schwächen sich ab und die Walker-Zirkulation wird gestört. Während eines La Niña ist das Gegenteil der Fall: Der zentrale und östliche Pazifik kühlt sich ab, die Passatwinde verstärken sich und die tropische atmosphärische Zirkulation nimmt ihre übliche Form wieder an.

Die Entstehung von El Niño lässt sich durch eine Rückkopplungsschleife zwischen Ozean und Atmosphäre erklären. Eine anfängliche Erwärmung der Meeresoberfläche schwächt die Passatwinde; mit deren Abschwächung nimmt die Menge an warmem Wasser im östlichen Pazifik zu, was die Erwärmung der Oberfläche weiter verstärkt. Dadurch entsteht eine positive Rückkopplungsschleife, die die anfängliche Anomalie zunehmend verstärkt.

Dieses Wachstum setzt sich jedoch nicht unbegrenzt fort. Die Entwicklung der Thermokline – der Zone, die warmes Oberflächenwasser von kühlerem Tiefenwasser trennt – ermöglicht die Speicherung, Ausbreitung und anschließende Freisetzung der Anomalie. Störungen der Thermokline breiten sich über äquatoriale Wellen aus, die warmes Wasser im Pazifik verteilen. Während einige dieser Wellen zur Ostwärtsbewegung der Anomalie und ihrer Entwicklung beitragen, wirken andere später an der Freisetzung der gespeicherten Wärme mit. Dadurch werden die Bedingungen, die El Niño aufrechterhalten, geschwächt und letztendlich der Übergang zu La Niña begünstigt.

Klassische ENSO-Modelle stellen diese Wechselwirkung durch eine dynamische Oberflächenschicht dar, die an eine Atmosphäre gekoppelt ist, deren Reaktion als deutlich schneller angenommen wird. In diesen Modellen dient die Tiefe der Thermokline als Gedächtnis des Systems. Anomalien, die in einem Teil des Ozeans entstehen, benötigen Monate, um sich auszubreiten und andere Regionen zu beeinflussen. Der aktuelle Zustand hängt daher teilweise von den Bedingungen ab, die Monate zuvor herrschten. ENSO kann als nachlaufender Oszillator beschrieben werden: Die aktuelle Oberflächentemperatur trägt durch Ozean-Atmosphäre-Rückkopplung zur Verstärkung der Anomalie bei, während verzögerte Effekte im Zusammenhang mit der Umverteilung des Wärmeinhalts diese schließlich abschwächen und die Phasenumkehr bewirken.

ENSO tritt zudem nicht isoliert von anderen Formen der Klimavariabilität auf. Moden mit längeren Zeitskalen, wie der Indische-Ozean-Dipol, die Pazifische Dekadenoszillation und die Atlantische Multidekadenoszillation, können sein Verhalten modulieren. Abhängig von ihren jeweiligen Phasen können diese niederfrequenten Variationen die Bedingungen bestimmter El-Niño- oder La-Niña-Ereignisse entweder verstärken oder abschwächen und so zu Unterschieden in deren Intensität und Häufigkeit beitragen.

Die anthropogene Erwärmung verändert auch den durchschnittlichen Klimazustand, in dem ENSO auftritt. In diesem Zusammenhang ist zu erwarten, dass sich seine Variabilität ändert und extremere Ereignisse auftreten können, begleitet von Veränderungen seiner Fernwirkungen. Diese Fernwirkungen ermöglichen es einer im tropischen Pazifik entstehenden Anomalie, Klimaeffekte über enorme Entfernungen hinweg hervorzurufen.

Der Mechanismus beginnt mit Veränderungen der Meeresoberflächentemperatur, welche die tropische Konvektion und folglich die Erwärmung der Atmosphäre beeinflussen. Die atmosphärische Reaktion erzeugt Zirkulationsmuster und stehende Wellen, die sich über große Entfernungen ausbreiten können. Auf diese Weise kann eine Störung, die ursprünglich im gekoppelten Ozean-Atmosphäre-System des tropischen Pazifiks lokalisiert war, die atmosphärische Zirkulation reorganisieren und Temperatur- und Niederschlagsmuster in sehr weit entfernten Regionen verändern. ENSO ist somit ein Paradebeispiel dafür, wie regionale Ozean-Atmosphäre-Wechselwirkungen sich ausbreiten und Folgen für das globale Klimasystem haben können.

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