Forschung: Aktueller Forschungsschwerpunkt 1998

(Abteilung: Physik des Meeres und Klimadynamik)

El Niño/Southern Oscillation

Die stärkste natürliche Klimaschwankung auf Zeitskalen von einigen Monaten bis zu mehreren Jahren ist das El Niño/Southern Oscillation-Phänomen (ENSO). Obwohl ENSO seinen Ursprung im tropischen Pazifik hat, beeinflußt es nicht nur das tropische Klima, sondern auch das Weltklima. Außerdem besitzt ENSO weitreichende Auswirkungen auf die tropischen Ökosysteme und auf die Volkswirtschaft verschiedener Staaten, vor allem in den Tropen. ENSO ist daher nicht nur von besonderem wissenschaftlichen, sondern auch von großem öffentlichen Interesse.

Mit El Niño bezeichnet man eine großskalige Erwärmung der Deckschicht des gesamten tropi schen Pazifiks, die im Mittel etwa alle vier Jahre auftritt. Das Wort "El Niño" stammt aus dem Spanischen (El Niño: Das Christkind) und wurde von den peruanischen Küstenfischern bereits im letzten Jahrhundert geprägt. Diese beobachteten, daß alljährlich zur Weihnachtszeit die Meeresoberflächentemperatur anstieg, was das Ende der Fischfangsaison markierte, und die Fi scher belegten zunächst dieses jahreszeitliche Signal mit dem Wort El Niño. In einigen Jahren allerdings war die Erwärmung besonders stark, und die Fische kehrten auch nicht wie sonst üb lich am Ende des Frühjahrs wieder. Diese besonders starken Erwärmungen dauern typischer weise etwa ein Jahr lang an. Heute werden nur noch diese außergewöhnlichen Erwärmungen mit El Niño bezeichnet, welche in unregelmäßigen Abständen von einigen Jahren (im Mittel etwa alle 4 Jahre) wiederkehren. Eine ausführliche phänomenologische und theoretische Be schreibung des El Niño findet man im Buch von Philander 1990.

 

Die Abbildung 1 zeigt die anomale Meeresoberflächentemperatur, wie sie im Dezember 1997 wäh rend des letzten El Niños beobachet wurde. Der großskalige Charakter der Erwärmung ist deut lich ersichtlich: die Erwärmung erstreckt sich etwa über ein Viertel des Erdumfangs in Äquatornähe. Das für El Niño typische Erwärmungsmuster besitzt die stärksten Temperaturer höhungen im äquatorialen Ostpazifik, mit Temperaturanomalien von über 5oC vor der Küste Südamerikas. Mit El Niño gehen auch Veränderungen in der Meeresoberflächentemperatur in anderen Regionen einher, wie z. B. eine Erwärmung des tropischen Indischen Ozeans oder eine Abkühlung des Nordpazifiks. Letztere werden durch eine veränderte atmosphärische Zirkulati on in diesen Gebieten als Folge der El Niño-Erwärmung im tropischen Pazifik hervorgerufen. El Niño besitzt vielfältige klimatische Auswirkungen, welche in der Abbildung 2 schematisch zusammengefaßt sind. Südostasien und Nordostaustralien leiden unter starken Dürren infolge El Niños, während es auf der anderen Seite des Pazifiks über dem westlichen Südamerika zu sintflutartigen Regenfällen kommt. Auswirkungen des El Niño findet man aber auch über Indi en, dem östlichen Äquatorialafrika, dem südlichen Afrika und über Nord- bzw. Südamerika. Die Auswirkungen des El Niño auf Europa sind schwach und im allgemeinen nicht statistisch signifikant.

 

El Niño wirkt sich aber auch auf die Volkswirtschaften und die Gesundheitssysteme verschie dener Staaten aus. Der Kokosölpreis z. B. zeigt eine erstaunliche Korrelation mit dem Auftreten von El Niño: Etwa ein Jahr nach El Niño Ereignissen schnellt der Kokosölpreis in die Höhe. Die Ursache für die Schwankungen im Kokosölpreis liegt in der extremen Dürre in Südostasien, wo Kokos vor allem angebaut wird. Die El Niño bedingten Mißernten in Südostasien führen zu ei ner Verknappung von Kokosöl, wodurch sein Weltmarktpreis ansteigt. Es existieren zahlreiche andere gesellschaftlich relevante Auswirkungen des El Niño. So ist z. B. die Häufigkeit von Malaria in Kolumbien ebenfalls mit dem Auftreten von El Niño verknüpft. Das anomal warme Klima in Kolumbien während El Niño Episoden begünstigt die Vermehrung der entsprechen den Mückenarten, welche die Malaria übertragen, wodurch es zu mehr Malariainfektionen kommt. El Niño ist eng mit der Southern Oscillation verknüpft, einem atmosphärischen Phänomen, das bereits in den zwanziger Jahren von Sir Gilbert Walker beschrieben wurde. Die Southern Osci llation kann man als eine Art Luftdruckschaukel verstehen, wobei die Bodendruckvariationen in der westlichen und in der östlichen Hemisphäre einander entgegengesetzt sind. Die Abbildung 3 (nach Walker 1923 und Berlage 1957) verdeutlicht diesen Sachverhalt. Dargestellt ist die Kor relation der jährlichen Druckanomalien in Djakarta (Indonesien) mit denen auf der gesamten Erde. Signifikante Korrelationen existieren nicht nur in der Nähe der Referenzstation, sondern auch weit entfernt von ihr, was den globalen Charakter der Southem Oscillation verdeutlicht. Während eines El Niños kommt es beispielsweise zu einer Erhöhung des Drucks über Südost asien und dem westlichen Pazifik, während er im östlichen Pazifik sinkt, was zur Folge hat, daß sich der Druckgegensatz über dem Pazifik abschwächt und damit die Passatwinde schwächer werden.


Bjerknes 1969 war es, der als erster die enge Verbindung zwischen El Nino und Southern Osci llation erkannte und die Bedeutung von Wechselwirkungen zwischen Ozean und Atmosphäre für die Klimavariabiltät im pazifischen Raum hervorhob. Die Abb. 4 zeigt dies anhand von zwei einfachen Indizes: der Anomalie der Meeresoberflächentemperatur im Ostpazifik und dem so genannten Southern Oscillation Index (SOI), der die Druckdifferenz zwischen den beiden Zen tren der Southern Oscillation mißt. Die beiden Zeitreihen variieren außer Phase. Beispielsweise fallen positive Anomalien der Meeresoberflächentemperatur (El Niño Phasen) mit negativen Anomalien im SOI zusammen. Da der SOI ein Maß für die Stärke der Passatwinde über dem Pazifik ist, gehen also El Niño Ereignisse mit abgeschwächten Passatwinden einher. Bjerknes erkannte dies und führte die Variationen in der Meeresoberflächentemperatur im äquatorialen Ostpazifik auf windinduzierte Veränderungen in der Ozeandynamik zurück. Variationen im Wärmeaustausch zwischen Ozean und Atmosphäre hingegen wirken dämpfend auf die Meeres oberflächentemperaturanomalien. Wegen der engen Verbindung zwischen dem El Niño und der Southern Oscillation spricht man heute im allgemeinen vom El Niño/Southern Oscillation (ENSO) Phänomen. Bjerknes erkannte außerdem, daß die Wechselwirkungen zwischen Ozean und Atmosphäre im Bereich des tropischen Pazifiks instabil sind, d. h. daß anfängliche Störungen vom gekoppelten System Ozean-Atmosphäre verstärkt werden. Nehmen wir an, daß sich der Ostpazifik infolge einer Störung erwärmt. Dadurch verringert sich der Temperaturgegensatz zwischen dem West pazifik und dem Ostpazifik, welcher normalerweise etwa 10oC beträgt (der Westpazifik besitzt Meeresoberflächentemperaturen von etwa 30oC, während der Ostpazifik mit etwa 20oC deut lich kälter ist). Dies resultiert in einer Reduktion des Druckgradienten in der Atmosphäre, was zu einer Abschwächung der Passatwinde und einen reduzierten Auftrieb kalten Wassers im Ost pazifik nach sich zieht, wodurch die Meeresoberflächentemperatur im Ostpazifik weiter an steigt und sich die Passatwinde weiter abschwächen. Es ist diese Art von positiver Rückkopplung zwischen Ozean und Atmosphäre, welche El Niños erst ermöglichen. Die Bedeutung äquatorialer Wellen für El Niño wurde bereits von Wyrtki 1975 hervorgehoben. Er zeigte, daß das Auftreten von El Niño mit der Wanderung von äquatorialen Kelvinwellen verknüpft ist. Die Abschwächung der Passatwinde über dem Westpazifik löst Kelvinwellen aus, die ostwärts wandern und den Auftrieb kalten Wassers an die Oberfläche reduzieren, wodurch sich der Ostpazifik erwärmt. Äquatoriale Wellen beeinflussen die Meeresoberflächentempera tur nur im Ostpazifik, da dort die Thermokline (die Grenzfläche zwischen warmen Oberflächen wasser und kaltem Tiefenwasser) dicht unterhalb der Meeresoberfläche liegt. Den Kelvinwellen kommt also eine entscheidende Bedeutung bei der Wechselwirkung zwischen Ozean und At mosphäre zu: Sie sind das entscheidende Bindeglied zwischen den Windveränderungen im Westpazifik und den Temperaturveränderungen im Ostpazifik.


Abbildung 4 macht auch den oszillatorischen Charakter von ENSO deutlich. Neben den als El Niño bezeichneten Warmphasen treten ebenso häufig Kaltphasen auf, die mit La Niña benannt wer den. Dies legt die Vermutung nahe, daß ENSO auf einem Zyklus basiert. Schopf und Suarez (1988) formulierten einen derartigen Zyklus, basierend auf der Wanderung von äquatorialen Wellen. Danach werden infolge von Windschubveränderungen während ENSO-Extremen (El Niño, La Niña) sog. Rossbywellen im Westpazifik ausgelöst, die westwärts wandern, am West rand in Kelvinwellen reflektiert werden, die mit einer gewissen Zeitverzögerung den äquatoria len Ostpazifik erreichen und dort die Meeresoberflächentemperatur derart verändern, daß die anfängliche Anomalie geschwächt und schließlich im Vorzeichen umgekehrt wird. Instabile Wechselwirkungen zwischen Ozean und Atmosphäre führen dann zu einem Anwachsen dieses Signals. Die Phasenumkehr wird also schon während eines Extremzustandes eingeleitet. So lö sen die Windschubveränderungen während El Niños Rossbywellen aus, die mit verstärktem Auftrieb kalten Wassers einhergehen. Nach der Reflektion der Rossbywellen am Westrand transportieren Kelvinwellen das Signal ostwärts entlang des Äquators und führen zu einer Ab kühlung im östlichen Äquatorialpazifik. Die mittlere Periode von ENSO wird nach diesem ein fachen konzeptuellen Modell im wesentlichen von der Beckenbreite des Pazifik bestimmt. Es ist plausibel anzunehmen, daß ein derartiger Wellenzyklus gedämpft ist und durch das Rau schen im gekoppelten System Ozean-Atmosphäre (ähnlich einer Schaukel im Wind) kontinu ierlich angefacht wird. Dieser von Schopf und Suarez vorgeschlagene einfache Oszillator stellt sicherlich eine grobe Vereinfachung der tatsächlichen Verhältnisse dar, er beschreibt allerdings die fundamentale ENSO-Dynamik. Außerdem wird durch dieses Prototypmodell auch ersichtlich, daß ENSO bis zu einem bestimmten Grad vorhersagbar ist, was von enormer praktischer Bedeutung ist (Latif et al. 1994). Prinzipiell kann man zwei Arten von Vorhersageschemata unterscheiden: Statisti sche und dynamischeVorhersagemodelle. Beide Arten von Vorhersagemodellen sind bisher recht erfolgreich gewesen. Hier wird im weiteren allerdings nur auf die dynamischen Modelle eingegangen. ENSO Vorhersagen werden ähnlich wie Wettervorhersagen durchgeführt, d. h. sie stellen beide ein sog. Anfangswertproblem dar. Allerdings werden für ENSO Vorhersagen gekoppelte Oze an-Atmosphäre Modelle verwendet. Der ozeanische Anfangszustand kann auf unterschiedliche Art und Weise ermittelt werden. Man kann z. B. die Geschichte der beobachteten Windschubs pannungen verwenden, um die Ozeankomponente anzutreiben und die Vorhersagen zu initiali sieren. Diese Methode liefert eine geeignete Präkonditionierung des Ozeans, da Veränderungen seiner Dichtestruktur sich vor allem auf Windschubveränderungen zurückführen lassen. Andere Verfahren benutzen die Geschichte der beobachteten Meeresoberflächentemperaturen, und wiederum andere Verfahren assimilieren die drei-dimensionale ozeanische Dichtestruktur ins Ozeanmodell. Letztere erhält man über ein Netz von fest verankerten Bojen im Äquatorialpazi fik (das sog. TAO-array), welches Informationen aus Tiefen bis 500m liefert.


Einer der wichtigsten Parameter, die Anomalie der Meeresoberflächentemperatur im Ostpazi fik, ist etwa ein Jahr im voraus mit zufriedenstellender Genauigkeit vorhersagbar. Inzwischen werden ENSOVorhersagen routinemäßig an verschiedenen Instituten durchgeführt und von Re gierungen verwendet, um beispielsweise Entscheidungen für den Anbau landwirtschaftlicher Produkte zu treffen. Ein Beispiel für die Qualität von ENSO Vorhersagen ist in der Abbildung 5 dargestellt, welche die Korrelation der mit einem vereinfachten gekoppelten Ozean-Atmo sphäre Modell vorhergesagten mit den beobachteten Meeresoberflächentemperaturanomalien im Äquatorialpazifik zeigt. Die Ergebnisse sind aus einem Vorhersageensemble berechnet, das den Zeitraum 1981-1996 umfaßt, wobei jeden Monat eine Vorhersage initialisiert wurde. Die Korrelationen liegen fast im gesamten Äquatorialpazifik oberhalb von 0.5 bei einem Vorhersa gezeitraum von 12 Monaten, und sogar über 0.6 bei einem Vorhersagezeitraum von 6 Monaten. Da die Schwankungen in der Meeresoberflächentemperatur im Äquatorialpazifik eng mit Ver änderungen der Lufttemperatur und des Niederschlags über vielen Landregionen verbunden sind (siehe Abb. 2), birgt die erfolgreiche Vorhersage der Meeresoberflächentemperatur auch die Möglichkeit, klimatische Veränderungen über vielen Regionen der Erde vorherzusagen. Es sollte aber erwähnt werden, daß die Vorhersagegüte nicht konstant ist. So waren z. B. die acht ziger Jahre deutlich besser vohersagbar als die neunziger Jahre. Man vermutet, daß dekadische Schwankungen (d. h. Schwankungen auf der Zeitskala von Jahrzehnten) in der großskaligen Ozeanzirkulation zu der dekadischen Modulation der Vorhersagegüte führen. Beobachtungen der Meeresoberflächentemperatur im tropischen Pazifik für die letzten 100 Jah re zeigen eine Verstärkung der interannualen Variabilität, d. h. der Schwankungen von Jahr zu Jahr. So wurde z. B. das "Jahrhundert El Niño Ereignis" der Jahre 1982/1983 noch vom El Niño 1997/1998 übertroffen. Ferner ist eine Häufung von El Niño Situationen in den neunziger Jah ren zu verzeichnen. Es drängt sich daher die Frage auf, in wieweit der anthropogene Treibhaus effekt ENSO beeinflußt. Um diese Frage näher zu untersuchen, haben Timmermann et al. 1998 eine Treibhaussimulation mit einem globalen gekoppelten Ozean-Atmosphäre Modell, das ENSO realistisch simuliert, analysiert. Dabei wurde das Modell im Jahre 1860 initialisiert und mit beobachteten Treibhausgaskonzentrationen angetrieben. Zukünftige Konzentrationen wur den bis zum Jahr 2100 entsprechend dem Szenarium A des IPCC vorgeschrieben.


Die Veränderungen in der Meeresoberflächentemperatur des tropischen Pazifiks infolge des an thropogenen Treibhauseffekts sind den während El Niño Ereignissen beobachteten sehr ähn lich: Der Ostpazifik erwärmt sich mit etwa 3oC bis zum Jahr 2100 (Abbildung 6) sehr viel stärker als der Westpazifik, dessen Temperatur sich nur um etwa 1oC erhöht. Dies bedeutet, daß El Niño- ähnliche Situationen künftig sehr viel häufiger auftreten werden, falls der weltweite Ausstoß von Treibhausgasen, vor allem des CO2 nicht drastisch gesenkt wird. Dem langfristigen Erwär mungstrend im Ostpazifik überlagert ist eine zunehmende interannuale Variabilität, wobei sich vor allem die kalten Ereignisse (La Niñas) verstärken, was deutlich anhand der Abbildung 6 zu erkennen ist. Vorläufige Ergebnisse deuten an, daß Veränderungen in der Ozeanzirkulation die Veränderungen in der Statistik der interannualen Variabilität hervorrufen.

(von: M. Latif, J. Oberhuber, A. Timmermann)

Zu den Abbildungen:

Abbildung 1: Anomale Meeresoberflächentemperatur (oC) beobachtet im Dezember 1997 wäh rend des letzten El Niños (Quelle: NCEP).
Abbildung 2: Globale klimatische Auswirkungen eines El Niños (Quelle: NOAA).
Abbildung 3: Die Southern Oscillation. Dargestellt ist die Korrelation jährlicher Oberflächen druckanomalien mit denen in Djakarta (Indonesien). Gestrichelte Linien deuten negative Kor relationen an (Quelle: Berlage 1957)
Abbildung 4: Zeitreihen der anomalen ostpazifischen Meeresoberflächentemperatur (Niño-3 Index) und des Southern Oscillation Indexes (SOI). Beide Zeitreihen sind mit mit einem 5-Mo nats-Gleitmittel gefiltert (Quelle: NOAA).
Abbildung 5: Vorhersagegüte des SIO/MPI gekoppelten Ozean-Atmosphäre Modells. Darge stellt sind die Korrelationen der vorhergesagten mit den beobachteten Meeresoberflächentem peraturanomalien. Das obere Bild zeigt die Korrelationen für einen Vorhersagezeitraum von 6 Monaten, während das untere Bild die Korrelationen für einen Vorhersagezeitraum von 12 Mo naten zeigt (Quelle: Pierce 1996).
Abbildung 6: Zeitreihe der Meeresoberflächentemperaturanomalie (oC) im äquatorialen Ostpa zifik (Niño-3 Index) in der Treibhaussimulation (Quelle: Timmermann et al. 1998).
Literatur:
Berlage, H. P., 1957: Fluctuations in the general atmopsheric circulation of more than one year, their nature and their prognostic value. K. Ned. Meteor. Inst. Meded. Verh., 69, 152 pp.
Bjerknes, J., 1969: Atmospheric teleconnections from the equatorial Pacific. Mon. Weather Rev., 97, 163-172.
Latif, M., T. P. Barnett, M. A. Cane, M. Flügel, N. E. Graham, H. von Storch, J.-S. Xu, and S. E. Zebiak, 1994: A review of ENSO prediction studies. Climate Dynamics, 9, 167-179.
Philander, S. G. H., 1990: El Niño, La Niña, and the Southern Oscillation. Academic Press, San Diego, 293 pp.
Schopf, P. S. and M. J. Suarez, 1988: Vacillations in a coupled ocean-atmosphere model. J. Atm. Sci., 45, 549-566.
Timmermann, A., A. Bacher, M. Esch, M. Latif, J. M. Oberhuber, and E. Roeckner, 1998: ENSO response to greenhouse warming. Nature, submitted.
Walker, G. T., 1923: Correlation in seasonal variations of weather. VIII: A preliminary study of world weather. Mem. Indian Meteorol. Dep., 24, 75-131.
Wyrtki, K., 1975: El Niño - The dynamic response of the equatorial Pacific Ocean to atmosphe ric forcing. J. Phys. Oceanogr., 5, 572-584.