Das ENSO-Phänomen

ENSO Entdeckung und Geschichte

Unser Verständnis von ENSO war immer mit seinen Auswirkungen auf menschliche Gemeinschaften verbunden. Mindestens seit dem frühen 16. Jahrhundert haben Fischer vor der peruanischen Küste erkannt, dass periodisch auftretendes warmes Wasser ihre Sardellenfänge beeinträchtigen. Wohl zur selben Zeit bemerkten peruanische Bauern, dass warme Meerestemperaturen mit höherem Niederschlag einherging. Da die Erwärmung des Ozeans tendenziell um Weihnachten auftrat, wurde das Phänomen El Niño nach dem Christuskind benannt.

Gegen Ende des 19. Jahrhunderts vertieften peruanische Geographen ihre Forschungen über die Klimabedingungen entlang der Küste (Eguiguren 1894), wobei sie einen typischen Wechsel von kalten zu warmen Ozeanbedingungen gegen Jahresende feststellten, den sie einer warmen, südwärtigen Strömung zuschrieben (Ortlieb 1993, Nicholls 1989). Die Strömung, man nannte sie Corriente El Niño, entstammte der Region um die ecuadorianische Stadt Guayaquil. Die Herkunft mitgeführter Baumstämme, auf denen man auch Reste von Eidechsen fand, hat man in Nordperu von der Stadt Tumbes bis in die Region La Libertad verortet (IGP). Die Geographen beobachteten auch, dass in manchen Jahren das Einsetzen der warmen Verhältnisse stärker als üblich war und von ungewöhnlichen ozeanischen und klimatischen Phänomenen begleitet wurde. Interessanterweise wurden die stärkeren Niederschläge in den wüstenhaften nordperuanischen Küstenregionen als durchaus vorteilhaft gesehen, solange sie eben nicht die Stärke der späteren Ereignisse von 1982-83 und 1997-98 erreichten.

La Corriente del Niño e historia de su estudio

Es interesante que los años de lluvias fuertes en la costa norte eran considerados entonces como "buenos" o "extraordinarios", según su intensidad, ya que proveían de muy necesaria agua a esta normalmente desértica región, pero los eventos recientes de los años 1982-83 y 1997-98 fueron tan intensos que produjeron pérdidas en vidas humanas, en las actividades económicas y en la infraestructura de la región debido a las lluvias intensas y los desbordes de los ríos.
Eguiguren, V. (1894): Las lluvias en Piura, Boletín de la Sociedad Geográfica de Lima. Nach Instituto Geofísico del Perú

Unabhängig von dieser Arbeit untersuchte der britische Physiker Sir Gilbert Walker die Beziehung zwischen dem indischen Monsun und meteorologischen Bedingungen an anderen Orten weltweit. Er entdeckte etwas, das er die Südliche Oszillation (Southern Oscillation, SO) nannte, eine großräumige interannuelle Fluktuation des Luftdrucks auf Meereshöhe zwischen dem westlichen und dem östlichen Pazifik (Walker 1934), deren gegensätzliche Pole bei Darwin (Australien) und bei Tahiti lagen. Walkers Entdeckung der SO war der erste wissenschaftliche Hinweis auf den Zusammenhang zwischen Wetterbedingungen in entfernten Teilen des tropischen Pazifiks.

Erst in den 1960er Jahren erkannten Wissenschaftler, dass die episodische Erwärmung der Meeresoberflächentemperatur (SST) vor der peruanischen Küste Teil einer ozeanweiten Störung ist, die sich westwärts entlang des Äquators bis zur Datumsgrenze erstreckt, und dass diese Veränderungen der SST mit der Southern Oscillation in Verbindung stehen. Berlage (Berlage 1966) war der erste, der diese Verbindung erkannte und so wurde der Begriff El Niño mit außergewöhnlich starken Warmereignissen verknüpft, die ca. alle 2-7 Jahre gemeinsam mit Anomalien im Bereich des gesamten tropischen Pazifiks auftreten.

Aufbauend auf dieser Entdeckung war der norwegisch-amerikanische Meteorologe Jacob Bjerknes in der Lage, einen Mechanismus vorzuschlagen, der diese beiden Phänomene miteinander verbindet. In seinem Konzept war El Niño die ozeanische Ausprägung einer großräumigen Interaktion zwischen Ozean und Atmosphäre. Bjerknes benutzte Beobachtungsdaten als Beleg dafür, dass die lange Dauer von Klimaanomalien in Verbindung mit Walkers Southern Oscillation (Walker 1934), einschließlich der Veränderungen im System der pazifischen Passatwinde, eng verknüpft war mit langsam aufkommenden SST-Anomalien im äquatorialen Pazifik. Kurz gesagt, Bjerknes postulierte, dass eine Erwärmung bzw. Abkühlung der Meeresoberflächentemperaturen im Pazifik ein Nachlassen bzw. eine Verstärkung der Passate zur Folge habe. Dies treibt seinerseits Veränderungen der Ozeanzirkulation an, die die Tendenz der SST verstärken - eine positive Rückkopplung (Bjerknes, J. 1969). Obwohl diese Argumentation die Entwicklung der Warmbedingungen unter El Niño erklärt oder auch die gegenteiligen extremen Abkühlungsbedingen unter dem, was man heute mit La Niña bezeichnet, war Bjerknes bewusst, dass ein Verständnis für die aufeinanderfolgenden Wechsel der Zustände noch immer fehlte. Diese Erklärung erbrachten die Forschungsergebnisse in Ozeanographie und Meteorologie erst 20 Jahre später, basierend auf den bahnbrechenden Arbeiten von Bjerknes. Die Theorie von Bjerknes hatte auch noch keine Erklärung für die Dauer der einzelnen Phasen oder weshalb sie im Nordwinter ihren stärksten Abschnitt haben. Auch war die Frage offen, wie Veränderungen der Windverhältnisse im westlichen und zentralen Pazifik zu Änderungen der Meeresoberflächenhöhe im Ostpazifik führen.

Im Laufe der 1979er und 1980er Jahre erweiterten neue grundlegende Arbeiten das Verständnis von der Verbindung zwischen El Niño und Southern Oscillation. Wyrtki (1975) erkannte, dass beckenweite Änderungen des Meeresspiegels sich zur gleichen Zeit abspielten wie ENSO-Ereignisse, insbesondere stellte er den Meerespiegelanstieg im Ostpazifik heraus, der mit ENSO-Warmphasen verknüpft ist. Er zeigte auch, dass Änderungen bei initialen Windbedingungen im zentralen und westlichen Pazifik ablaufen, weit entfernt von den Gegenden mit angestiegenem Meeresspiegel und höheren STT im Ostpazifik. Dies war nach Wyrtkis Ansicht der Hinweis darauf, dass die Effekte auf Meeresspiegelhöhe (SSH) und SST durch äquatoriale Kelvinwellen ausgelöst sein könnten. Auf diese Weise wurde großräumige Ozeandynamik in das konzeptionelle Verständnis von ENSO eingeführt. Weitere Studien entwickelten die Theorie von windgetriebener äquatorialer Ozeandynamik fort und belegten auch die Fähigkeit numerischer Modelle auf der Grundlage von Windbeobachtungen, die prinzipiellen Merkmale der ozeanischen Variabilität mit ENSO-Bezug zu erfassen (Busalacchi, A. 1981).

Während dieser Forschungsanstrengungen lief 1982-83 ein historisches El Niño-Ereignis ab, das größte bis dahin aufgezeichnete. Es intensivierte die Anstrengungen, um ENSO besser beobachten, verstehen und letztlich auch vorsagen zu können. Der El Niño von 1982-83 war in mehrfacher Hinsicht bemerkenswert, nicht nur wegen seiner Stärke. Das Ereignis besaß weitreichende Auswirkungen in weiten Teilen der Erde und brachte El Niño öffentliche Aufmerksamkeit wie nie zuvor. Das Ereignis wurde erst erkannt als es bereits längere Zeit im Gange war, was auf das Fehlen eines Meeresbeobachtungssystems für Echtzeitendaten zurückzuführen war. Das Timing und die Entwicklung des Ereignisses unterschied sich von einigen vorherigen Ereignissen und auch das ‚Auftürmen‘ des Meeresspiegels im Westpazifik, nach Wyrtkis Hypothese ein Vorläufer von El Niño, war nicht ersichtlich.

Vor diesem Hintergrund war der El Niño von 1982-83 der Auslöser für eine neue Welle wissenschaftlichen Interesses und schließlich für die Schaffung eines auf 10 Jahre angelegten internationalen Forschungsprogramms, dem Tropical Ocean-Global Atmosphere Program (TOGA), um ENSO und seine globalen Auswirkungen zu untersuchen und vorherzusagen (Anderson, DLT. 1998). Ein wichtiges Ergebnis dieses Projekts war die Schaffung eines in nahezu Echtzeit arbeitenden ENSO-Beobachtungssystems, das inzwischen ein großes Feld von verankerten Bojen umfasst (McPhaden 1998), ferner ein Schiffsbeobachtungsprogramm auf freiwilliger Beteiligungsbasis und eine Vielzahl von Satellitenbeobachtungen.

Das TOGA-Programm beförderte auch wichtige Arbeiten zur Modellierung von ENSO. Zebiak und Cane (1987) sowie Schopf und Suarez (1988) stellten gekoppelte dynamische Modelle vor, die plausible Simulationen von ENSO produzierten. Mit realistischen Parametereingaben produzierten die Modelle anomale SST und Winde, die den beobachteten ENSO-Anomalien sowohl in ihrer Struktur als auch in ihrer Stärke vergleichbar waren. Die Simulationen stellten darüber hinaus eine Abfolge von Warm- und Kaltereignissen dar, die sich im Abstand von 3-4 ablösten (analog zu den beobachteten ENSO, allerdings mit größerer Regelmäßigkeit), und sie erfassten den Zeitpunkt der stärksten Erwärmung gegen Ende des Kalenderjahres recht realistisch.

Diese Erfolge bei der Modellierung erlaubten es, die den ENSO-Prozessen zu Grunde liegenden physikalischen Prozesse aufzuzeigen und sie bereiteten den Boden, die Vorhersagbarkeit von ENSO ins Auge zu fassen. In rascher Aufeinanderfolge präsentierte eine Anzahl von Studien eine verfeinerte theoretische Interpretation der ursprünglichen Modellergebnisse, besonders bei den Mechanismen, die für die quasi-regelmäßige mehrjährige ENSO-Oszillation. Suarez und Schopf (1988) und Battisti und Hirst (1989) wiesen nach, dass (ostwärts gerichtete) westliche Windanomalien im Zentralpazifik sowohl Kelvin-Wellen erzeugen, die sich ostwärts ausbreiten und in der Ausbreitungszone die Thermokline absenken, als auch westwärts gerichtete Rossby-Wellen, die auf ihrem Weg die Thermokline wieder anheben. Dann werden die Rossby-Wellen von der westlichen Umrandung des Ozeanbeckens reflektiert und setzen sich nach Osten als Kelvin-Wellen fort, welche ihrerseits eine Anhebung der Thermokline im äquatorialen Ostpazifik bewirken und die ursprüngliche Erwärmung der SST etwa 6 Monate nach dem Beginn der initialen SST-Erwärmung im Osten wieder umkehren - eine Art von verzögerter negativer Rückkopplung. So entstand die zentrale Auffassung, dass die positive (Bjerknes) Rückkopplung in Verbindung mit diesem verzögerten negativen Feedbackprozess zu einer ENSO-Oszillation führen kann, wie sie real beobachtet wurde. Diese sogenannte ‚delayed oscillator theory‘ und Varianten, die aus ihr entwickelt wurden, sind die Haupterrungenschaften der TOGA-Periode (Neelin 1998).

Schon vor den eben beschriebenen Studien zur Modellierung gab es Anstrengungen um El Niño mit Hilfe von statistischen Verfahren vorherzusagen. Die Erfolge bei der Simulation von ENSO mit den ersten gekoppelten Modellen war dann die Motivation für eine neue Runde von Anstrengungen, die auf diesen Werkzeugen basierten. Cane et al. (1986) waren die ersten, die die Fähigkeit zur Vorhersage von ENSO-Bedingungen mit mehreren Jahreszeiten Vorlauf mit Hilfe eines vollständig gekoppelten Modells demonstrierten.

Nach diesen frühen Erfolgen wurde eine ganze Reihe von Modellen zur ENSO-Vorhersage mit unterschiedlicher Komplexität entwickelt. Diese Modelle können in drei Kategorien unterteilt werden: Rein statistische Modelle (Barnston 1992), hybride Modelle mit physikalischen Ozean und statistischen Atmosphärendaten (Barnett 1993), vollständig gekoppelte Modelle mit physikalischen Ozean- und Atmosphäredaten. Heute (2014) laufen weltweit an Forschungszentren über 20 ENSO-Vorhersagesysteme auf Routinebasis (Tippett 2012).

Überprüfungen der Zuverlässigkeit von Vorhersagen haben diesbezüglich eine leichte Überlegenheit der dynamischen gegenüber den statistischen Modellen ergeben. Insgesamt schwankt die Zuverlässigkeit über die Jahre und hat nach einer Phase tendenzieller Qualitätszunahme in jüngerer Zeit an Verlässlichkeit verloren (Zebiak 2015), möglicherweise eine Folge der eingetretenen größeren Variabilität von ENSO (Barnston 2012) oder auch beeinflusst durch den Klimawandel. Auch ist die zusätzliche und für ENSO-Prognosen erschwerende Rolle der regionalen Klimamuster noch Gegenstand der Forschung. Die Fehlprognosen des Jahres 2014, mit denen ein El Niño vorhergesagt war und der unerwartete Aufzug des starken Warmereignisses von 2015 haben die Fachwelt nach ihrer jahrzehntelangen Forschungsarbeit sehr verunsichert (McPhaden 2015).

Dennoch fällt es schwer, die Arbeiten bezüglich ENSO zu hoch einzuschätzen, da sie zum ersten Mal das Vorhersagepotenzial einiger Klima-/Wettercharakteristika über einen längeren Zeitraum (d.h. 1-3 Jahreszeiten) demonstrierten. So verspricht man sich auf der Grundlage dieser Erfahrungen ein großes Potenzial für die Vorhersagbarkeit des saisonalen Klimas in bestimmten Regionen. Für viele Gebiete ist die saisonale Vorhersagemöglichkeit aber noch bescheiden. Dennoch gibt es bei vielen Wetterdiensten weltweit saisonale Vorhersagen auf operationeller Basis.

Das historische El Niño-Ereignis von 1997/98 vollzog sich vor dem Hintergrund des Wissens um die Mechanismen von ENSO, seine Vorhersagbarkeit und seine Einflüsse auf regionales Klimageschehen (McPhaden 1999). Daraus entstand der dringende Bedarf nach Informationen über die Entwicklung des Ereignisses selbst, wie auch auf damit verbundene Klimabedingungen. Als Reaktion wurden in verschiedenen Regionen der Erde Foren zu Klimaprognosen (Climate Outlook Forum) eingerichtet, in denen Wissenschaftler, Wetterdienste und potenzielle ‚Nutzer‘ von Vorhersageinformationen zusammen trafen, um gemeinsame Vorhersagen zu formulieren und deren Anwendungspotenzial zu propagieren. ( Zebiak et al. 2015).

So hat sich in den letzten 25 Jahren unser Verständnis von ENSO ständig weiterentwickelt, da neue Komplexitätsebenen in der ENSO-Dynamik und -Vorhersagbarkeit erkannt wurden. Das Konzept von El Niño hat sich von einer typischen Abfolge von Phasen vom Beginn über die Reife bis zum Ende zu einem Konzept entwickelt, das die räumlich-zeitliche Komplexität und die unterschiedlichen Klimaauswirkungen berücksichtigt. Wir haben auch erkannt, dass ENSO sich zwar in erster Linie als eine Klimaschwankung von Jahr zu Jahr manifestiert, seine Dynamik jedoch ein breites Spektrum von Prozessen umfasst, die auf Zeitskalen von Wochen bis Jahrzehnten zusammenwirken. Die Vielfalt der Muster, der Amplitude und der zeitlichen Entwicklung dieses Klimaphänomens wird allgemein als ENSO-Komplexität bezeichnet.