Das ENSO-Phänomen

Indizes zur Charakterisierung von ENSO

Es gibt eine Vielzahl von Ozean- wie auch Atmosphäre-bezogenenen Indizes, die zur Charakterisierung des ENSO-Zyklus verwendet werden.

1. Eine Reihe von Indizes bezieht sich auf den Ozean und basiert auf großflächigen Durchschnittswerten der Anomalien der Meeresoberflächentemperatur, wobei die Anomalie als Abweichung von einem 30-Jahres-Durchschnitt der klimatologischen Norm definiert ist.

Die am häufigsten verwendeten Regionen zur Berechnung dieser Anomalien sind Niño-1+2 (0°-10°S, 80°-90°W), Niño-3 (5°N- 50S, 90°-150°W), Niño-3.4 (5°N-5°S, 120°-170°W) und Niño-4 (5°N-5°S, 150°W-160°E). Niño-1+2 erfasst die Variabilität in der Nähe der südamerikanischen Küste, Niño-3 die Variabilität in der äquatorialen Kaltzunge des östlichen Pazifiks und Niño-4 die Variabilität weiter westlich im Warmwasserkörper (warm pool). Die Indexregionen Niño-1+2, Niño-3 und Niño-4 wurden 1982 vom Climate Diagnostics Center der NOAA (später Climate Prediction Center genannt) entwickelt und werden seitdem zur Echtzeitüberwachung der sich entwickelnden ENSO-Bedingungen eingesetzt.

Die Niño-3.4-Region, die sich mit den Niño-3- und Niño-4-Regionen überschneidet, wurde erst später hinzugefügt, und zwar aufgrund ihrer hohen Korrelation mit dem Southern Oscillation Index (siehe unten) und der Stärke ihrer Korrelation mit ENSO-bezogenen Klimaanomalien in der ganzen Welt. Der Oceanic Niño Index (ONI) der NOAA verwendet einen laufenden Dreimonatsdurchschnitt der Niño-3.4-SSTs, um El Niño- und La Niña-Ereignisse zu verfolgen, während sie sich entwickeln. Der Dreimonatsdurchschnitt wurde festgelegt, um signifikante Schwankungen von Monat zu Monat herauszufiltern, die im tropischen Pazifik auftreten, um ein klareres Bild der sich entwickelnden ENSO-Bedingungen zu erhalten. Die NOAA stuft ein Ereignis als EI Niño ein, wenn der ONI in fünf oder mehr aufeinanderfolgenden Monaten über 0,5 °C steigt, und als La Niña, wenn er in fünf oder mehr aufeinanderfolgenden Monaten unter -0,5 °C fällt.

Lage der ENSO-Indexregionen Geographische Verteilung der ENSO-Indexregionen (Kästen) und die Lage der Wetterstationen von Tahiti und Darwin, deren Bodendruckdaten zur Berechnung des Southern Oscillation Index herangezogen werden. Quelle: BOM

2. El Niño ist jedoch mehr als nur die Temperatur der Meeresoberfläche. Die atmosphärische Komponente ist ebenso wichtig, da die atmosphärische Zirkulation über dem tropischen Pazifik - die Walker-Zirkulation - auf die Veränderungen der Meeresoberflächentemperatur reagiert und dazu beiträgt, diese zu verstärken. Diese Kopplung zwischen Atmosphäre und Ozean ist entscheidend für ENSO. Im Falle von El Niño führt der überdurchschnittlich warme zentrale und/oder östliche tropische Pazifik zu mehr aufsteigender Luft und Stürmen über dieser Region, weniger über Indonesien, und zu schwächeren als durchschnittlichen Winden in der oberen Ebene und oberflächennahen Winden (den Passatwinden). Insgesamt bedeutet dies eine schwächere Walker-Zirkulation.

Für die Charakterisierung des Zustands der Atmosphäre werden vor allem zwei Indizes verwendet, der Southern Oscillation Index (SOI) und der Equatorial Southern Oscillation Index (EQSOI)

Ersterer basiert auf den Anomalien einer 30-jährigen Klimatologie des Oberflächenluftdrucks in Tahiti, Französisch-Polynesien (17° 39'S, 149° 28'W), abzüglich des Luftdrucks in Darwin, Nordaustralien (12° 28'S, 130° 50'E) nach Normierung durch die jeweiligen Standardabweichungen an jeder Station. Tahiti und Darwin sind so gelegen, dass sie die Schwankungen des Luftdrucks zwischen der östlichen und der westlichen Hemisphäre erfassen. Der Druckunterschied zwischen Tahiti und Darwin ist ein Maß für die Stärke der Passatwinde, da die Oberflächenwinde in niedrigen Breitengraden dazu neigen, in Richtung des Druckgradienten strömen. Wenn also der Luftdruck auf Tahiti relativ zu Darwin hoch ist (positiver SOI), sind die Passatwinde stärker als normal, und wenn der Luftdruck auf Tahiti relativ zu Darwin niedrig ist (negativer SOI), sind die Passatwinde schwächer als normal.

Ein Maß dafür, wie stark Ozean und Atmosphäre auf ENSO-Zeitskalen gekoppelt sind, ist die sehr deutliche Antikorrelation zwischen dem SOI und der Niño-3.4-SST. Diese Indizes zeigen, dass der zentrale Pazifik bei anomal schwachen Passatwinden (negativer SOI) anomal warm ist (positiver Niño-3.4), Bedingungen, die El Niño definieren. Umgekehrt ist der zentrale Pazifik bei anomal starken Passatwinden (positiver SOI) anomal kalt (negativer Niño-3.4), Bedingungen, die La Niña definieren. Die verzögerungsfreie Korrelation zwischen diesen beiden Zeitreihen über die letzten 70 Jahre (seit 1950) beträgt etwa -0,9, was bemerkenswert ist, wenn man bedenkt, dass die beiden Indizes, der eine ozeanisch, der andere atmosphärisch, völlig unabhängig voneinander abgeleitet werden.

Niño-3.4 SST Anomalien und der Southern Oscillation Index, 1950-2019 Die Monatswerte wurden zur besseren Übersichtlichkeit mit einem Filter für das laufende 5-Monats-Mittel geglättet. Rote Spitzen kennzeichnen El Niño-Ereignisse und blaue Negativspitzen La Niña-Ereignisse. Normale Bedingungen (zwischen ±0,5°C für Niño-3.4 SST und zwischen ±0,5 Standardabweichungen beim Southern Oscillation Index) sind nicht eingefärbt.   Quelle: McPhaden, M. J. et al. 2020

Die Tatsache, dass der SOI auf dem Luftdruck in Meeresspiegelhöhe an nur zwei einzelnen Stationen basiert (s. Abb. unten), bedeutet, dass er durch kurzfristige Schwankungen von Tag zu Tag oder von Woche zu Woche beeinflusst werden kann, die nichts mit ENSO zu tun haben.

Eine weitere Einschränkung des Southern Oscillation Index besteht darin, dass sowohl Tahiti als auch Darwin etwas südlich des Äquators liegen (Tahiti bei 18˚S, Darwin bei 12˚S), während sich das ENSO-Phänomen stärker entlang des Äquators konzentriert. Der Equatorial Southern Oscillation Index überwindet dieses Problem, da er den durchschnittlichen Luftdruck auf Meereshöhe über zwei großen Regionen in der Mitte des Äquators (5˚S bis 5˚N) über Indonesien und dem östlichen äquatorialen Pazifik verwendet.

Allerdings reichen die Daten für diesen Index nur bis 1949 zurück. Im Gegensatz dazu reicht der Tahiti-Darwin-Index aufgrund längerer Stationsaufzeichnungen bis in die späten 1800er Jahre zurück. Aufgrund seiner längeren Aufzeichnungen wurde der Tahiti-Darwin-Index zur Darstellung des ENSO-Zustands in einer Reihe von wegweisenden Studien verwendet, die ENSO mit seinen globalen Klimaauswirkungen in Verbindung bringen.

Lage der für ENSO-Indices relevanten Orte und Gebiete Die Lage der Stationen, die für den Southern Oscillation Index (Tahiti und Darwin, schwarze Punkte), die Lage der Gebiete, die für den Equatorial Southern Oscillation Index (östlicher äquatorialer Pazifik und Indonesien, blau-grün umrandet) und die Lage der Niño3.4-Region im östlich-zentralen tropischen Pazifik die für die Meeresoberflächentemperatur (rote gestrichelte Linie) verwendet werden. Quelle: NOAA Climate.gov

3. Andere ENSO-Indizes wurden für spezielle Zwecke entwickelt, wie der Cold Tongue Index, der auf SST-Anomalien in der Region 6°N-6°S, 90°W-l80° basiert, und der Multivariate ENSO-Index, der eine statistische Kombination aus SST, Luftdruck und -temperatur, Oberflächenwinden und Bewölkung verwendet.

Darüber hinaus wurden mehrere Indizes entwickelt, um die räumliche Vielfalt der ENSO-SST-Muster zu charakterisieren. Diese letztgenannten Indizes beruhen häufig auf Kombinationen der traditionelleren Nino-Indizes, da kein einzelner Index die gesamte Bandbreite der im ENSO-Zyklus beobachteten Variabilität beschreiben kann.