Das ENSO-Phänomen

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ENSO-Lexikon

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IMARPE

Span. für Instituto del Mar del Pe; peruanisches Meeresinstitut mit wichtigen ozeanographischen Daten und Informationen zu ENSO.

IMPENSO

Engl. Akronym für Impact of ENSO (Der Einfluss von ENSO auf die Wasserressourcen und die lokale Bevölkerung in einem Regenwaldrandgebiet Indonesiens). IMPENSO ist ein Deutsch-Indonesisches Forschungsprojekt (2001-2006), das die Wasserressourcen und die landwirtschaftliche Produktion im Einzugsgebiet des Palu River in Zentralsulawesi (Indonesien) untersucht und Strategien für den Umgang mit ENSO-bedingten Niederschlagsschwankungen entwickelt.

Indischer Ozean Dipol (IOD)

Engl. Indian Ocean Dipole, dt. auch Indisch-Ozeanischer Dipol; eine unregelmäßig auftretende Oszillation der Meeresoberflächentemperaturen (SST-Anomalie) zwischen zwei Gebieten (oder Polen, daher Dipol) - und zwar am äquatorialen Ost- und Westende des Indischen Ozeans (Indik). Der IOD ist ein gekoppeltes Ozean-Atmosphären-Phänomen.

Es werden 'positive', 'neutrale' und 'negative' Phasen unterschieden. Eine positive Phase ist gekennzeichnet durch überdurchschnittliche Meeresoberflächentemperaturen im westlichen Indik und im Arabischen Meer (vor der afrikanischen Küste) und damit einhergehende verstärkte tropische Konvektion mit häufigen Niederschlägen in diesen Gebieten (durch Aufsteigen der Warmluft).

Dies korrespondiert mit verhältnismäßig niedrigen Meeresoberflächentemperaturen im Bereich Ozeaniens, was (durch Absinken der Luft) eine Tendenz zu Dürren in den benachbarten Landmassen von Indonesien und Australien bewirkt.

In Bodennähe erfolgt dort dann das Rückströmen der Luft nach Westen. Somit herrschen in diesem Bereich beidseitig des Äquators verstärkte östliche Winde vor (Passatwinde), die das Meereswasser in der Folge oberflächlich abtransportieren und abkühlen (verstärkt in der Folge durch nachrückendes kühleres Wasser aus tieferen Schichten).

Die negative Phase des IOD bringt die gegenteiligen Verhältnisse mit sich, wärmere Ozeantemperaturen und stärkere Niederschläge im Ostindik und kühlere und trockenere Verhältnisse im Westen.

Zum ersten Mal entdeckt wurde dieses Phänomen 1999. Allerdings belegen Proxydaten aus Korallenriffen, dass der IOD mindestens seit dem mittleren Holozän, d.h. seit etwa 6.500 Jahren besteht. Ähnliche Systeme sind in den anderen beiden Weltmeeren Atlantik (Atlantische Multidekaden-Oszillation) und Pazifik (Pazifische Dekaden-Oszillation) ebenfalls bekannt.

Indian Ocean Dipole - Positive Phase

Indian Ocean Dipole - Positive Phase

Während der positiven Phase des Dipols des Indischen Ozeans, die in der Regel zwischen September und November ihren Höhepunkt erreicht, verändern kühlere als normale Bedingungen an der Meeresoberfläche westlich von Indonesien und wärmere als normale Bedingungen im westlichen Indischen Ozean die atmosphärische Zirkulation in der Region des Indischen Ozeans. Gleichzeitig ist dort die Konvektion deutlich verstärkt.

In Indonesien und Australien ist es tendenziell trockener als normal, was die Gefahr von Buschbränden erhöht, während es in Ostafrika tendenziell feuchter als normal ist, was die Wahrscheinlichkeit von Überschwemmungen erhöht.

Quelle: ENSO Blog 2020
Indian Ocean Dipole - Neutralphase

Indian Ocean Dipole - Neutralphase

Die neutrale Phase des Dipols im Indischen Ozean weist weder positive noch negative Merkmale auf.

Quelle: ENSO Blog 2020
Indian Ocean Dipole - Negative Phase

Indian Ocean Dipole - Negative Phase

Während der negativen Phase des Dipols im Indischen Ozean verändern wärmere als normale Bedingungen an der Meeresoberfläche westlich von Indonesien und kühlere als normale Bedingungen im westlichen Indischen Ozean die atmosphärische Zirkulation in der Region des Indischen Ozeans. Indonesien und Australien neigen dazu, feuchter als normal zu sein, während Ostafrika tendenziell trockener als normal ist.

Quelle: ENSO Blog 2020

Die Auswirkungen dieser Meerestemperaturen-Anomalie sind ziemlich unterschiedlich, vor allem im Bezug auf den indischen Monsun. Bei einem positiven IOD Ereignis fällt auf der Westseite des indischen Subkontinents weniger Niederschlag aufgrund des herabgesetzten Meer-Land Temperatur- und damit auch Druckunterschieds, welcher wiederum an der Ostküste nun stärker ausgeprägt ist und hier mehr Niederschlag fällt.

Der IOD teilt den Indik in zwei Regionen, zum einen in die indonesisch-australische, welche als zusammengehörig zu betrachten ist, und zum anderen in den Ostküstenbereich Afrikas. In diesen beiden Regionen ergibt sich bei einer nicht neutralen Phase jeweils immer eine der jeweils anderen Region entgegengesetzte niederschlagsarme oder niederschlagsreiche Phase. Die Niederschlagsverteilungen sind hier aber nicht von den monsunalen Luftströmungen wie in Indien bedingt, und damit auch nicht von den Land-/ Meerunterschieden hinsichtlich Temperatur und Druck.

Australien und Indonesien und der erwähnte Teil Ostafrikas befinden sich so nah am Äquator, dass die vorhandenen Druckverhältnisse nicht von den Land-Meer Temperaturunterschieden abhängig sind und der Niederschlag vornehmlich über die Verdunstung und Konvektion über dem Meer gesteuert wird. Dadurch kommt es bei einem regionalen Abfall der SST jeweils zu weniger Konvektion über dem Meer und dadurch weniger Niederschlägen, und die Wahrscheinlichkeit einer Dürre wird erhöht. Bei einem positiven Ereignis gibt es also vor Australien und Indonesien niedrigere SST und damit verbunden weniger Niederschläge, während im äquatornahen Ostafrika erhöhte SST und damit einhergehend mehr Niederschläge fallen. Ein negatives Ereignis hat immer exakt die umgekehrten Folgen.

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Dipole Mode Index (DMI)

Die IOD wird üblicherweise durch einen Index gemessen, der die Differenz zwischen der Meeresoberflächentemperatur (SST) im westlichen (50°E bis 70°E und 10°S bis 10°N) und östlichen (90°E bis 110°E und 10°S bis 0°S) äquatorialen Indischen Ozean darstellt. Der Index wird Dipole Mode Index (DMI) genannt. Die Karte zeigt die Ost- und Westpole des IOD für November 1997 auf dem Höhepunkt des positiven IOD-Ereignisses 1997. Die Ost- und Westpole des IOD sind mit schwarzen Kästen markiert. Quelle: BOM

Wie ENSO ist der IOD ein gekoppeltes Ozean-/Atmosphären-Phänomen. Auch sind seit einigen Jahren Verbindungen bekannt zwischen dem IOD und ENSO über eine Erweiterung der Walker-Zirkulation nach Westen und dem damit verbundenen Indonesischen Durchstrom (Indonesian Throughflow, ein Zustrom von warmem Oberflächenwasser aus dem Pazifik in den Indik). Da der ENSO-Index meist über den Luftdruckunterschied zwischen dem tiefen Druck im Bereich Indonesiens und dem hohen Druck vor der peruanischen Küste definiert wird, sind Wechselwirkungen nicht verwunderlich, da das indonesische Tief auch ein Teilelement des IOD ist. Ein positiver IOD kann von einem positiven ENSO-Ereignis ausgelöst werden, aber auch ein IOD-Ereignis kann ein positives ENSO-Ereignis auslösen.

Negative IOD sind wiederum mit La Niña verbunden. Die interne Variabilität dieses Systems erlaubt aber auch ein Vorkommen unterschiedlicher Phasen ohne äußere Einflüsse. Die vorhandenen Telekonnektionen funktionieren über die Atmosphäre, so kann eine positive IOD-Phase durch Upwelling eine negative SST-Anomalie vor Indonesien und mit dem damit einhergehenden Druckabfall ein Eintreten eines positiven ENSO-Ereignisses bewirken.

Wenn der IOD und ENSO phasengleich verlaufen, sind die Auswirkungen von El Niño und La Niña beispielsweise in Australien oft höchst extrem, wohingegen die Auswirkungen von El Niño und La Niña verringert werden können, wenn sie gegenphasig verlaufen.

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Schematische zweijährige Klimaschwankung im Pazifik und im Indischen Ozean

Ein starker Monsun im Zeitraum Juni-September (rot, Tafel 1) führt zur Entwicklung einer negativen Anomalie im Index des Indischen Ozean-Dipols (IOD) (rot: Tafel 2). Als Folge des Abklingens der negativen IOD-Anomalie verlangsamen sich die pazifischen Passatwinde (rot: Tafel 3), was wiederum zur Bildung einer El Niño-Phase und zu einer Abnahme der Stärke der Walker-Zirkulation führt (rot: Tafel 4). Als Reaktion auf diese Veränderungen schwächt sich der südasiatische Monsun ab (blau, Tafel 1) und der zweite Jahreszyklus folgt dem gleichen Muster, allerdings mit umgekehrten Vorzeichen. Izumo und Kollegen schlagen vor, dass die Entwicklung von einer Anomalie im Dipol des Indischen Ozeans zu einem El Niño- oder La Niña-Ereignis helfen könnte, ENSO-Vorhersagen mit Vorlaufzeiten von bis zu 14 Monaten zu verbessern.

Die Vorhersage eines El Niño- oder La Niña-Ereignisses vor dem vorangehenden Frühjahr hat sich als schwierig erwiesen. Die Berücksichtigung von gekoppelten Ozean-Atmosphären-Modi in der Region des Indischen Ozeans, die eine zweijährige Periodizität aufweisen, könnte die Grundlage für längere Vorhersagezeiten bilden.

Quelle: Peter J. Webster & Carlos D. Hoyos (2010): Beyond the spring barrier?

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

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

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 ENSO-Indexregionen

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.

Indo-pazifischer Warmwasserkörper (Indo-Pacific Warm Pool, IPWP)

Engl. Indo-Pacific Warm Pool (IPWP); ein ozeanübergreifender Warmwasserkörper in den Tropen, bestehend aus dem Ostindik-Warmwasserkörper (Eastern Indian Ocean Warm Pool, EIWP) und dem Westpazifischen Warmwasserkörper (Western Pacific Warm Pool, WPWP). Diese global größte Warmwasserregion ist durch Meeresoberflächentemperaturen von über 28 °C (Schwellenwert) charakterisiert.

Besonders im WPWP mit seinen höchsten Wassertemperaturen vollziehen sich intensive Konvektionsvorgänge mit weltweiter Bedeutung. Die hochreichende Konvektion vermag das weltweite Klima zu beeinflussen, beispielsweise über die Hadley- und die Walkerzirkulation und sie ist eine wichtige Quelle für Wärme- und Wassertransport. Die Gegend gehört zu den niederschlagsreichsten der Erde. Die Niederschlagsmenge kann die Verdunstungsmenge um fast 2 m übersteigen. Als Folge besitzt das Meer in dieser Region eine flache salzarme Schicht an der Oberfläche, die auf dichterem und kälterem Salzwasser treibt.

Das betreffende Gebiet unterliegt flächenmäßigen Fluktuationen, verschwindet aber nie. Der Teil im Indischen Ozean ist im März am größten, der pazifische Teil im August. Die Ausdehnung des Warm Pools im Pazifik ist positiv korreliert mit dem Auftreten von Westwindausbrüchen (westerly wind bursts) im Westpazifik, von denen man weiß, dass sie für die Entstehung von El Niño-Ereignissen von Bedeutung sind. Verlagerungen des Warm Pools und Intensitätsschwankungen beeinflussen Start, Intensität und Dauer von ENSO-Ereignissen.
Der WPWP fand wegen seiner engen Beziehung zu ENSO seit 1980 starke Beachtung von Seiten der Wissenschaft, wohingegen für den EIWP Nachholbedarf besteht.

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Meeresoberflächentemperaturen im IPWP

  • Unregelmäßige Schwingungen im IPWP-Bereich, einige Male phasengleich auf der EIWP- und der WPWP-Seite
  • SST-Oszillationen weitgehend in Phase mit Gebietsoszillationen
  • Durchschnittliche Schwingungsdauer ~ 8-10 Jahre; unregelmäßig auf EIWP-Seite
  • Die wärmsten SSTs bewegen sich entlang der SPCZ
  • SSTs im tropischen Nordpazifik in der Nähe der mittelamerikanischen Küste oszillieren in Phase mit dem WPWP
  • EIWP-Gebiet sehr variabel; verschwindet manchmal ganz, reicht manchmal bis zur afrikanischen Küste
  • EIWP und WPWP expandieren teilweise gemeinsam oder ziehen gemeinsam in Ost-West-Richtung
  • Äquatorial- und SPCZ-Arme des WPWP schwingen in Phase

Quelle: CRCES

Weitere Informationen:

Indonesischer Durchfluss (Indonesian Throughflow, ITF)

Meeresströmung, die warmes und relativ salzarmes Oberflächenwasser (hohe Niederschläge) sowie kühles und relativ salzarmes Wasser im Bereich der Thermokline vom Westpazifik durch die indonesischen Gewässer in den Ostindik transportiert.

Der Indonesian Throughflow (ITF) wurde erstmals 1957 vom Ozeanographen Klaus Wyrtki beschrieben. Seine Quelle ist die Philippinische See und das Westkarolinenbecken, wo die unablässig wehenden Passatwinde und die von ihnen erzeugten Strömungen Wasser aus der großen Weite des Pazifiks mitreißen. Im Pazifischen Ozean nordöstlich des indonesischen Archipels liegt der Meeresspiegel zwanzig Zentimeter über dem Durchschnitt; im Indischen Ozean südlich von Indonesien liegt der Meeresspiegel aufgrund ähnlicher Kräfte, die in entgegengesetzter Richtung wirken, zehn Zentimeter unter dem Durchschnitt. Dieser Unterschied von dreißig Zentimetern setzt eine massive Wasserbewegung in Gang.

Das Volumen dieses Wasserdurchsatzes ist so groß, dass vertraute Einheiten wie Kubikmeter und Gallonen schnell unhandlich werden. Deshalb haben Ozeanographen eine Einheit erfunden, die sie "Sverdrup" nennen, benannt nach dem norwegischen Wissenschaftler Harald Sverdrup von der Scripps Institution of Oceanography. Ein Sverdrup ist ein Durchfluss von einer Million m³ pro Sekunde, was eine erhebliche Menge an bewegtem Wasser ist. Stellen Sie sich einen Fluss vor, der hundert Meter breit und zehn Meter tief ist und mit zwei Knoten fließt, und dann stellen Sie sich eintausend dieser Flüsse vor - das ist ein Sverdrup. Der indonesische Durchfluss, so schätzen Wissenschaftler, entspricht 15 Sv, also fünfzehntausend dieser Flüsse.

Drei Viertel dieses Durchflusses werden in den oberen paar hundert Metern transportiert, und der Rest bewegt sich durch Indonesiens Netzwerk von tiefen Becken. Die Jahreszeiten beeinflussen die Geschwindigkeit des indonesischen Durchflusses. Er ist während des Südostmonsuns am stärksten und erreicht im August seinen Höhepunkt.

Der Strom und die Durchmischungsvorgänge des ITF werden von Änderungen der Winde, der Temperatur und der Niederschläge beeinflusst, welche durch saisonale Veränderungen und Klimaphänomene wie El Niño verursacht werden. Wenn die Passate erlahmen und die Gradienten der zonalen Meeresoberflächenhöhe und der -temperatur geringer werden oder sich umkehren, was zu einem El Niño führt, dann sinkt das Ausmaß des ITF. Der gegenteilige Effekt stellt sich bei einem La Niña-Ereignis ein mit seinen verstärkten Passaten, und stärkeren Gradienten bezüglich Höhe der Meeresoberfläche und Meeresoberflächentemperatur, der ITF ist dann anomal groß.

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Indonesischer Durchfluss

Der ozeanische Wassermassentransport vom tropischen und subtropischen Pazifischen Ozean in den Indischen Ozean, bekannt als Indonesian Throughflow (ITF), spielt eine bedeutende Rolle für den Wärme- und Frischwassertransport zwischen den beiden Ozeanen. Durch ihn wird der asiatisch-australische Monsun in seiner Stärke und seinem zeitlichen Auftreten beeinflusst und er bewirkt eine Rückkopplung auf das globale Klima.

Quelle: BHS

Innertropische Konvergenzzone (ITK)

Syn.: Äquatoriale Tiefdruckrinne, engl. intertropical convergence zone (ITCZ); erdumspannendes, wenige hundert Kilometer breites Band tiefen Luftdrucks über den Gebieten mit den am stärksten erwärmten Wasser- und Landmassen in den Tropen. In der durch ein flaches Luftdruckminimum geprägten ITK findet ein Zusammenströmen (Konvergenz) der sich hier auflösenden SO- und NO-Passate statt. Die geographische Lage der ITK (steiler Einfallswinkel der Sonnenstrahlen) und die Konvergenzvorgänge führen zu aufsteigender Luftbewegung (aufsteigender Ast der Hadley-Zelle), zu Wärme- und Feuchtigkeitsaufnahme und zu labiler Schichtung der Luftmassen mit entsprechenden konvektiven Niederschlägen. Die einzelnen Konvektionszellen dieser mächtigen Gewitter mit Cumulonimbus-Bewölkung können die in ca. 17 km Höhe liegende Tropopause durchstoßen und damit Luft in die Stratosphäre befördern. In der ITK wechseln sich oftmals Windstille und kurze tropischen Gewitterstürme ab.
Das deutsche Akronym ITK für 'innertropische Konvergenzzone' wurde in Anlehnung an Schönwiese (2003) übernommen.

Innertropische Konvergenzzone (Aufnahme von GOES-11 am 17. 5. 2000)

Innertropische Konvergenzzone
(Aufnahme des geostationären GOES-11 vom 17. Mai 2000)

Die Innertropische Konvergenzzone oder ITCZ/ITK ist die Region, die die Erde in der Nähe des Äquators umspannt, und in der die Passatwinde der nördlichen und südlichen Hemisphäre zusammenkommen. Die intensive Sonne und das warme Wasser des Äquators erwärmen die Luft in der ITCZ, erhöhen ihre Feuchtigkeit und machen sie auftriebsfähig. Unterstützt durch die Konvergenz der Passatwinde verstärkt sich der Luftauftrieb. Wenn die Luft aufsteigt, dehnt sie sich aus und kühlt sich ab, wobei die angesammelte Feuchtigkeit in einer fast immerwährenden Serie von Gewittern freigesetzt wird.

Das Bild links ist eine Kombination aus Wolkendaten des geostationären Umweltsatelliten der NOAA (GOES-11) und farbigen Darstellungen von Landbedeckungsklassifizierungen aus AVHRR-Beobachtungen. Die ITCZ ist das Band aus hellen weißen Wolken, das die Bildmitte durchschneidet.

Quelle: NASA Earth Observatory

Die Cumulonimbuswolken sind weder gleichmäßig verteilt, noch zufällig verstreut. Vielmehr sind sie innerhalb von Wolkenclustern zu finden, von denen jedes einige hundert bis zu 1.000 km Durchmesser aufweist. Jedes Cluster enthält Gruppen (mesoskalige Zellen) mit Cumulonimbusaktivität, die typischerweise horizontale Größen von einigen Zehnern von Kilometern bis zu 100 km im Durchmesser haben. Die einzelnen Wolken sind ca. 10 km im Durchmesser. Sie besitzen einen 3-5 km breiten zentralen Kern. Innerhalb der Aufwinde werden Geschwindigkeiten von 10-15 m/s (37-55 km/h) erreicht. Auf Satellitenbildern können mesoskalige Zellen und individuelle Cumulonimbuswolken nicht unterschieden werden, da sie von der ausgedehnten Zirrusbewölkung bedeckt wird, die sich aus den auseinanderströmenden Ambossen der Cumulonimbuswolken bildet.

In der ITK findet man schwache, oft westliche Winde. Sie können allerdings häufig in ihrer Richtung Hinundherspringen und werden deshalb als Mallungen oder Doldrums bezeichnet.

Jahreszeitliche Verlagerung

Die ITK ist kein stationäres Band, sondern wandert, insbesondere über Land, im Jahresverlauf der vom Zenitstand der Sonne abhängigen Zone stärkster Erwärmung mit ca. 1 Monat Verzögerung hinterher. Sie liegt - bedingt durch die größere Landmasse auf der Nordhemisphäre - im Mittel etwas nördlich des Äquators.

Die jahreszeitliche Verlagerung der ITCZ beeinflusst die Niederschläge in vielen äquatorialen Nationen drastisch, was dazu führt, dass es in den Tropen eher zu Nass- und Trockenzeiten kommt als zu den kalten und warmen Jahreszeiten, die in höheren Breitengraden auftreten. Länger andauernde Veränderungen in der ITCZ können zu schweren Dürren oder Überschwemmungen in nahe gelegenen Gebieten führen.

Je größer die beeinflussende Landmasse ist, um so mehr weicht die ITK (Monsuntrog) vom Äquator nach Norden (am weitesten über Asien) und Süden (am weitesten über Südamerika und dem südlichen Afrika) ab. Diese sehr große Nord- bzw. Süd-Abweichung der ITK vom Äquator führt zur Ausbildung der Monsune:

Man trifft diese tropischen Monsune innerhalb eines breiten Gürtels an, der vom tropischen Westafrika über den tropischen Indik bzw .den indischen Subkontinent bis in den Raum Nordaustralien/Indonesien/Südchina reicht. Über Amerika und den anderen Ozeanen sind die Monsune nicht so stark ausgeprägt.

Im Gegensatz zu den Verhältnissen über Land schwankt die Lage der ITK über den Ozeanen (Nordatlantik und Nordpazifik) nur gering um die Lage des sogenannten "Meteorologischen Äquators", der sich (bedingt durch die gegenüber der Südhalbkugel deutlich größeren Landmassen der Nordhalbkugel) etwas nördlich des geographischen Äquators befindet. Nur selten bildet sich über dem tropischen Atlantik (in Küstennähe Nordost-Brasiliens) und dem Ost-Pazifik eine ITK südlich des Äquators aus, was insbesondere im Ost-Pazifik auf die Wirkungen des globalen Witterungsphänomens ENSO (El Nino - Southern Oszillation) zurückzuführen ist. Während El Niño-Bedingungen ist die normale Wanderung der ITK wegen der außergewöhnlich warmen Meeresoberflächentemperaturen im tropischen Pazifik unterbrochen.

Besonderheiten

Globale Durchschnittswerte des Niederschlags gemittelt über die Jahre 1998-2011

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Die Grafik oben wurde aus Daten des NASA/JAXA-Satelliten 'Tropical Rainfall Measuring Mission' (TRMM) erstellt. In dieser grafischen Datenauswertung wird die Konzentration der Bereiche höchster Niederschläge auf die Tropen deutlich. Gleichzeitig zeigt die dortige Niederschlagsverteilung Muster, die stark von der Land-/Wasserverteilung der Erdoberfläche geprägt sind.

Für eine leicht ältere Version dieser Niederschlagskarte hat der Deutsche Wetterdienst eine kommentierte Fassung mit den Lagen der wichtigsten Intertropischen Konvergenzzonen (Monsuntröge) erstellt.

Quelle: NASA

Weitere Informationen:

interannuell

Syn. interannuär, in der klimatologischen Literatur häufig verwendeter, aus dem Englischen (interannual) eingedeutschter Begriff für "Jahr-zu-Jahr" oder "jahresübergreifend", um die Veränderlichkeit des Zustandes der Atmosphäre im angegebenen Zeitraum zu bezeichnen. So bezieht sich der Begriff auf Schwankungen in Zeitskalen, die länger als ein Jahr, aber kürzer als ein Jahrzehnt sind. vgl. Zeitskalen in der Atmosphäre

Interdecadal Pacific oscillation (IPO)

Variabilität des Systems Ozean-Atmosphäre im Pazifischen Ozean, die auf Zeitskalen von 10-30 Jahren mit einem nahezu globalen Muster abläuft, das dem von El Niño und La Niña während der positiven/warmen bzw. negativen/kalten Phasen ähnelt. Man nimmt an, dass die IPO eine langfristige Integration verschiedener Prozesse ist, einschließlich interannueller und dekadischer Komponenten der ENSO-Variabilität, stochastischer Wärmeflüsse zwischen Luft und Meer und anderer Quellen niederfrequenter Variabilität.

Positive Phasen der IPO sind durch einen überdurchschnittlich warmen tropischen Pazifik und einen überdurchschnittlich kühlen nördlichen Pazifik gekennzeichnet. Negative Phasen sind gekennzeichnet durch eine Umkehrung dieses Musters, mit kühlen Tropen und warmen nördlichen Regionen.

interdekadisch

Der Begriff bezieht sich auf Schwankungen innerhalb einer Zeitspanne von mehr als einem Jahrzehnt, aber weniger als einem Jahrhundert.

interne Klimavariabilität

Bezeichnung für die inneren Schwankungen des Klimasystems, die ausschließlich der internen Dynamik des Klimasystems geschuldet sind und in ihrem Wirken eines äußeren Antriebs nicht bedürfen. Beteiligt sind dabei Prozesse innerhalb einzelner Erdsystemkomponenten (Atmosphäre, Land, Ozean, Land- und Meereis u.w.) oder Wechselwirkungen verschiedener Klimakomponenten miteinander. Von besonderem Interesse sind Schwankungen, die durch die Wechselwirkung zwischen Atmosphäre und Ozean entstehen.
Die Erforschung der internen Klimavariabilität ist wesentlich um mögliche Signale des anthropogenen Klimawandels vom natürlichen Klimarauschen zu trennen. Allerdings wird die interne Klimavariabilität Ihrerseits vom Klimawandel beeinflusst.

Intraseasonal to interannual timescale (ISI)

Dt. innersaisonale bis jahresübergreifende Zeitskala; sie umfasst Zeiträume von etwa zwei Wochen bis zu mehreren Jahren. Der Begriff bezieht sich auf Vorhersagen des Klimasystems.

Inversion

Wenige Zehner bis wenige hundert Meter mächtige, als Grenze wirkende Luftschicht in der Atmosphäre, innerhalb derer die Temperatur mit der Höhe nicht ab- sondern zunimmt (Temperaturumkehr). Inversionen entstehen durch

Sie wirken als Sperre für hochreichende konvektive Vorgänge und verursachen eine Anreicherung von Staub und Dunst an der Umkehrschicht. Gleichzeitig kann sich dort eine ausgeprägte Wolkendecke bilden.

 

IPCC

Engl. Akronym für Intergovernmental Panel on Climate Change (Zwischenstaatlicher Ausschuss über Klimaveränderung, im Deutschen oft als Weltklimarat bezeichnet); im November 1988 von WMO und UNEP eingerichtetes Gremium zur Bewertung aktueller wissenschaftlicher, technischer und sozio-ökonomischer Informationen, die für das Verständnis von Klimaveränderungen und deren Auswirkungen sowie für damit zusammenhängende Anpassungs- und Vorsorgemaßnahmen bedeutsam sind. Zielgruppen sind insbesondere politische Entscheidungsträger, für die er er unterschiedliche Handlungsoptionen und deren Implikationen aufzeigt, ohne jedoch konkrete Lösungswege vorzuschlagen oder Handlungsempfehlungen zu geben.

Der Sitz des IPCC-Sekretariats befindet sich in Genf. Ihm gehören an:

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) richteten 1998 die Deutsche IPCC-Koordinierungsstelle am Projektträger des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Bonn ein.

Der IPCC betreibt selbst keine Forschung, sondern trägt die Ergebnisse der Forschungen in den verschiedenen Disziplinen zusammen, darunter besonders der Klimatologie. Er bildet eine kohärente Darstellung dieses Materials in so genannten Sachstandsberichten ab, den IPCC Assessment Reports. Die Berichte des IPCC werden in Arbeitsgruppen erstellt und vom Plenum akzeptiert. Jeder beteiligte Forscher kann in drei aufeinanderfolgenden Versionen Kommentare, Kritik und Vorschläge einbringen. Mehr als hundert Forscher haben dies getan; unabhängige Review Editors achten darauf, ob die Endfassung alles angemessen berücksichtigt.

Der IPCC organisiert sich in drei Arbeitsgruppen und einer Task-Force, die Sachstandsberichte und Sonderberichte erstellen.

Der IPCC veröffentlicht Berichte in vier Kategorien:

Was sagt der neue IPCC-Bereicht zu ENSO?

Ein Blick zurück zeigt, dass Änderungen von ENSO eine lange Geschichte haben.

Oceanic Niño Index

Oceanic Niño Index (ONI)

Der Oceanic Niño Index (ONI) von 1950 bis heute. Der ONI ist die dreimonatige Temperaturanomalie der Meeresoberfläche in der Niño3.4-Region des tropischen Pazifiks. Rot bedeutet überdurchschnittliche Temperaturen und blau bedeutet unterdurchschnittliche Temperaturen. Climate.gov-Bild unter Verwendung von Daten des NOAA NWS Climate Prediction Center.

Quelle: ENSO Blog

ENSO hat sich geändert!... irgendwie. (Mit vielen Nuancen!) Die Amplitude (Stärke) von ENSO sowie die Häufigkeit von Ereignissen hoher Stärke (auch bekannt als die GROSSEN) sind seit 1950 höher als von 1850-1950 und sogar noch weiter zurück als von 1400-1950. Im IPCC-Bericht wird auch festgestellt, dass eine größere Anzahl von El-Niño-Ereignissen in den letzten 20-30 Jahren mit Temperaturveränderungen verbunden war, die im zentralen Pazifik stärker waren als im Osten.

Diese Unterschiede bedeuten jedoch nicht zwangsläufig, dass der vom Menschen verursachte Klimawandel dahintersteckt (da ist diese Nuance!). Die instrumentellen Aufzeichnungen und die paläoklimatischen Proxy-Daten (Korallen, Baumringe, Sedimentkerne) zeigen, dass ENSO während des gesamten Holozäns (der letzten 11.700 Jahre) alle möglichen unterschiedlichen Muster und Amplituden gezeigt hat. Es gibt keine eindeutigen Beweise dafür, dass die ENSO-Veränderungen seit 1950 so ungewöhnlich sind. Außerdem ergeben Klimamodell-Simulationen, die keine steigenden Treibhausgase berücksichtigen, ähnlich große Schwankungen im ENSO-Verhalten über lange Zeiträume hinweg, was allein auf die chaotische Natur des Klimasystems zurückzuführen ist.

Das Gleiche gilt für den Trend der letzten Jahre bei den El Niño-Ereignissen im Zentralpazifik. Sowohl Paläoklimadaten als auch Klimamodelle deuten darauf hin, dass die beobachteten Veränderungen durchaus im Rahmen der natürlichen Variabilität liegen. So funktioniert die Erde eben manchmal.

Was geschieht mit ENSO in einer sich erwärmenden Welt?

Das Wichtigste zuerst: Es ist so gut wie sicher, dass ENSO nicht nur in einer sich erwärmenden Welt existieren wird, sondern dass es weiterhin eine große Rolle bei der Beeinflussung der Klimamuster der Erde spielen wird.

Aber was können wir darüber sagen, wie der Klimawandel ENSO in Zukunft verändern wird? Vor allem, wenn wir nicht mit großer Sicherheit sagen können, ob der Klimawandel ENSO bereits jetzt beeinflusst.

Changes in amplitude of ENSO variability of both (top) sea surface temperatures and (bottom)

Änderungen der Amplitude der ENSO-Variabilität der Meeresoberflächentemperaturen (oben) und der Niederschlagsanomalien (unten)

Änderungen der Amplitude der ENSO-Variabilität der Meeresoberflächentemperaturen (oben) und der Niederschlagsanomalien (unten), gemittelt über die Niño3.4-Region für 1950-2014 aus historischen CMIP6-Klimamodellsimulationen und für 2015-2100 aus vier gemeinsamen sozioökonomischen Szenarien (SSP). Die dicken Linien stehen für den Mittelwert mehrerer Modelle, und die Schattierung entspricht der 5-95%-Spanne der CMIP6-Modelle für die historische Simulation (grau), SSP1-2.6 (blau) und SSP3-7.0 (rosa). Climate.gov Abbildung angepasst von Abbildung 4.10 im IPCC AR6 WG1 Physical Science Basis Bericht.

Quelle: ENSO Blog

Die Klimamodelle sind sich über eine Veränderung der ENSO-bezogenen Meeresoberflächentemperaturen im nächsten Jahrhundert bei keinem der im Bericht verwendeten Treibhausgasemissionsszenarien einig. Unabhängig von etwaigen Änderungen der ENSO-Meeresoberflächentemperaturen ist es jedoch sehr wahrscheinlich, dass die Niederschlagsvariabilität über dem östlichen und zentralen tropischen Pazifik in Szenarien mit mittleren bis sehr hohen Treibhausgasemissionen erheblich zunehmen wird. Grundsätzlich kann man davon ausgehen, dass El Niño in dieser Region feuchter und La Niña trockener sein wird.

Wichtig ist, dass dies NICHT bedeutet, dass alle Klimamodelle in diesen Szenarien keine Veränderung von ENSO im nächsten Jahrhundert zeigen. Einige der Modelle zeigen durchaus Veränderungen. Das Problem ist, dass es keine eindeutige Übereinstimmung gibt, nicht nur zwischen den verschiedenen Modellen, sondern auch zwischen verschiedenen Durchläufen desselben Modells, die mit leicht unterschiedlichen Ausgangsbedingungen (Ensembles) erstellt wurden. Einige zeigen ENSO-Ereignisse mit größerer Amplitude. Andere prognostizieren Ereignisse mit geringerer Amplitude. Diese große Bandbreite an Ergebnissen hat dazu geführt, dass der IPCC wenig Vertrauen in die mögliche Veränderung von ENSO in einer sich erwärmenden Welt hat.

Weshalb ist alles so kompliziert?

ENSO ist ein außerordentlich komplexes Geben und Nehmen zwischen dem Ozean und der Atmosphäre. Änderungen der globalen Oberflächentemperaturen... nun... das ist einfach im Vergleich zu ENSO.

Das liegt daran, dass ENSO durch mehrere Rückkopplungen gesteuert wird, die wir in diesem Blogbeitrag erörtert haben. Der Klimawandel ist wie ein bockiges Kind, das ins Zimmer geht und an jedem Schalter herumfummelt und einige auf- und andere abdreht. Ob das Endergebnis ein helleres Zimmer (stärkeres oder häufigeres ENSO) oder ein dunkleres Zimmer (schwächeres oder selteneres ENSO) ist, lässt sich nur schwer vorhersagen.

Auch ohne den Einfluss des Klimawandels ist die Modellierung von ENSO schwierig! Bei so vielen Einflüssen ist es für ein Klimamodell leicht, die "richtige" Antwort (das Licht im Raum) aus den "falschen" Gründen zu erhalten (das Einstellen verschiedener Dimmschalter, um die endgültige "richtige" Lichtmenge zu erhalten). Klimamodelle können eine breite Palette möglicher ENSO-Ergebnisse für die Zukunft aufzeigen, indem sie eine ganze Reihe von "Dimmschaltern" leicht verändern. Es ist schwer zu sagen, welche Schalter "richtiger" sind als die anderen.

Fehlerkompensation

Fehlerkompensation

Ein allgemeiner Blick darauf, wie allgemeine Zirkulationsmodelle unterschiedliche Auswirkungen verschiedener ENSO-bezogener Mechanismen oder Prozesse auf ENSO vorhersagen können und dennoch die gleiche resultierende ENSO-Amplitude vorhersagen. Gelegentlich können Modelle sogar ein unterschiedliches Vorzeichen für einen Mechanismus vorhersagen (siehe äquatoriale Ozeandynamik in blau für Modell C), und dennoch ist die resultierende ENSO-Amplitude die gleiche. Daher ist es wichtig zu überprüfen, ob die Modelle die endgültige ENSO-Amplitude sowie die richtigen ENSO-Mechanismen oder -Prozesse korrekt vorhersagen. Grafik von Fiona Martin, basierend auf einer Arbeit von Eric Guilyardi.

Quelle: ENSO Blog

Und natürlich kommt erschwerend hinzu, wie unterschiedlich ENSO in der langfristigen Vergangenheit verlaufen ist. Bei einer so wechselhaften Geschichte wird es schwieriger, ein für den Klimawandel spezifisches Signal zu erkennen.

Weitere Informationen:

IRI

Engl. Akronym für International Research Institute for Climate and Society; Aufgabe von IRI ist es, die Fähigkeit der menschlichen Gesellschaft zu erhöhen, Klimaauswirkungen zu verstehen, vorherzusehen und zu bewältigen, um dadurch das menschliche Wohlergehen und den Zustand der Umwelt zu verbesseren, insbesondere in Entwicklungsländern. Das IRI verfolgt dieses Ziel mit strategischer und angewandter Forschung, Bildung und Capacity Building, sowie durch die Bereitstellung von Vorhersage- und Informationsprodukten mit einem Schwerpunkt auf praxisorientiertem und überprüfbarem Nutzwert, alles unter dem Aspekt partnerschaftlicher Herangehensweise. Ein thematischer Schwerpunkt der Arbeit von IRI ist ENSO mit Ausführungen zum ENSO-Status, Monitoring, Auswirkungen, illustriert mit vielen grafischen Darstellungen.

IRI ist der Columbia University angeschlossen.

Islandtief

s. Aleutentief

Isotherme

Linie gleicher Temperaturwerte

Isotop

Die chemischen Elemente bestehen aus Mischungen ihrer Isotope. Diese Atomspezies unterscheiden sich durch die Zahl der Neutronen im Kern ihrer Atome. Die Zahl der Protonen im Kern eines Elements hingegen ist konstant. Sie definiert die Ordnungszahl dieses Elements. Isotop enthält daher das griechische Wort ísos (gleich) und tópos (Ort) und umschreibt, dass alle Isotope eines Elements im Periodensystem am gleichen Ort stehen. Ein Beispiel sind die Isotope des Elements Sauerstoff (O): 16O, 17O und 18O. Das Wort Nuklid wird für einzelne Atomspezies benutzt, die nicht einem bestimmten Element angehören. Beispiele sind die kosmogenen Nuklide der Elemente Helium, Beryllium und Aluminium: 3He, 10Be, 26Al.

Das Beispiel der Sauerstoffisotope zeigt, wie stabile Isotope in der Paläoklimatologie genutzt werden können. Die δ18O-Variationen in Seekarbonaten, Späleothemen und Jahrringen sind sehr gute Archive für Temperatur, Niederschlag und Verdunstung und somit den Einfluss atmosphärischer Systeme über die Zeit. Gerade die Untersuchung verschiedenster Archive liefert wertvolle Hinweise auf die Paläoklimaentwicklung und erlaubt die Entschlüsselung unterschiedlicher Klimabedingungen. Mit der Kombination unterschiedlicher Archive aus einer Region kann ein noch höheres Prozessverständnis erreicht werden.

Jahreszeitenvorhersage

Meteorologische Verfahren, die zum Ziel haben, Witterungs- und Klimazustände für Jahreszeiten vorherzusagen, verbunden mit Aussagen zu ihrer Eintrittswahrscheinlichkeit.

Während Wettervorhersagen für den Kurz- und Mittelfristzeitraum den Wetterzustand in der Form einer Punkt-Termin-Aussage oder als Region-Zeitintervall-Aussage beschreiben, wird bei einer Jahreszeitenvorhersage der mittlere Zustand der Atmosphäre charakterisiert. Die Vorhersage wird dabei stets in Relation zum langjährigen klimatologischen Mittelwert für die betreffende Jahreszeit und für eine größere Region formuliert und enthält qualitative Aussagen wie: zu warm / zu kühl, zu feucht / zu trocken u.ä. Zur Gewinnung von Jahreszeitenvorhersagen existieren weltweit unterschiedliche Prognosetechniken.

Der Deutsche Wetterdienst (DWD) wird Partner bei EUROSIP, ein Projekt, in welchem die Jahreszeitenvorhersage im Multi-Modellansatz am Europäischen Zentrum für Mittelfrist-Wettervorhersagen (EZMWF) erstellt wird. Im Zuge der Implementierung der operationellen Kette soll eine kontinuierliche Überwachung der Ozeanmodellergebnisse anhand von Satellitendaten installiert werden. Der Schwerpunkt der Evaluierung liegt bei physikalischen Größen an der Meeres- und Meereisoberfläche.
Ein Großteil der Beobachtungs-Datensätze für dieses Projekt kann zunächst durch die Copernicus-Daten aus MyOcean abgedeckt werden. Aus der kommenden Satellitengeneration der Sentinels sollen Daten wie Altimetrie, Oberflächentemperatur sowie Meereisparameter genutzt werden. Diese Anwendung geht hinsichtlich ihres Potenzials über das Gewässermonitoring hinaus, insofern die Evaluation des Ozeanmodells die Grundlage für eine bessere Jahreszeiten-Prognose für Land und auch den Ozean liefert.

Seit Oktober 2016 ist das German Climate Forecast System (GCFS) online, ein System zur routinemäßigen globalen Jahreszeitenvorhersage, die einmal pro Monat berechnet wird. Das GCFS ist eine gemeinsame Arbeit von Klimaforschenden des Centrums für Erdsystemforschung und Nachhaltigkeit (CEN) der Universität Hamburg und des Max-Planck- Instituts für Meteorologie (MPI-M) in Zusammenarbeit mit den Meteorologinnen und Meteorologen vom Deutschen Wetterdienst (DWD). MPI-M und CEN bringen hierfür ihre Expertise auf dem Gebiet der Klimamodellierung ein. Der Deutsche Wetterdienst ergänzt dies durch seine Erfahrungen im operationellen Betrieb der Modellvorhersage, der Qualitätsbewertung sowie der Nutzerprodukte.

Bei einer Prognose über einen Zeitraum von mehreren Monaten sind viele Komponenten des Klimasystems zu berücksichtigen: nicht nur die untere Schicht der Atmosphäre (die Troposphäre, bis in maximal 16 Kilometer Höhe), sondern auch höhere Luftschichten, der Boden sowie Ozean und Meereis. Für die Jahreszeitenvorhersage wird ein mit all diesen Komponenten gekoppeltes Klimamodell genutzt.
Die Grundlage für die saisonale Vorhersage bildet das Erdsystem-Modell des Max-Planck-Instituts für Meteorologie (MPI-ESM), welches alle oben genannten Komponenten enthält. Diese Konfiguration wurde auf die Bedürfnisse der Jahreszeitenvorhersage angepasst. Jetzt können Startfelder erzeugt werden, die den Zustand des Klimasystems zum Startpunkt der Vorhersage für das Modell aufbereiten und Ensembles rechnen, die eine Vorhersage mit minimalen Änderungen im System wiederholen.

Die Methodik hinter dem GCFS unterscheidet sich grundlegend von der der Wettervorhersage. Denn statt detaillierter Aussagen gibt eine Jahreszeitenvorhersage Auskunft über jahreszeitlich gemittelte Trends. Es geht also um Aussagen zu Wahrscheinlichkeiten, mit denen Abweichungen gegenüber dem Langzeitklima erwartet werden. Auf den Karten der Website sieht man also die für die kommenden Monate prognostizierten Temperaturabweichungen von der Durchschnittstemperatur.

Ein wichtiger Bereich der Website widmet sich dem Naturphänomen El Niño-Southern Oscillation (ENSO) im tropischen Pazifik. In den äquatorialen Breiten, die von ENSO stark bestimmt werden, funktioniert die operationelle Jahreszeitenvorhersage bereits sehr gut. Für die Wahrscheinlichkeitsprognose zu ENSO bietet die Webseite ein monatlich aktualisiertes Blockbild des äquatorialen Pazifiks von 160° O bis 90° W und von 9° N bis 9° S. Der dargestellte Wasserkörper reicht bis in 300 m Tiefe. Ergänzt ist die Darstellung durch einen Schnitt durch die Atmosphäre bis in ca. 12 km Höhe. Die 3D-Darstellung enthält die Meerestemperaturen,

In dem Blockbild sind die Anomalien der Temperatur des Ozeans von der Oberfläche bis in 300 m Tiefe dargestellt. Außerdem sind auf der Oberseite des Blockbildes zusätzlich die Anomalien der Windstärke und Windrichtung für die Höhe der unteren Wolkengrenze (850 hPa) abgebildet. Die jeweils aktuellen Darstellungen können interaktiv verglichen werden mit den älteren Prognosen, insbesondere auch mit den Darstellungen von zwei Extremereignissen in den neunziger Jahren.

Vorhersage vom Oktober 2016 Reanalyse für das starke El Niño-Ereignis 1997/98 Reanalyse für das starke La Niña-Ereignis 1998/99

Vorhersage vom Oktober 2016

Reanalyse für das starke El Niño-Ereignis 1997/98

Reanalyse für das starke La Niña-Ereignis 1998/99

Quelle: DWD

Weitere Informationen:

Jet-Stream (Strahlstrom)

Bandförmiger Luftstrom mit quasi horizontaler Strömungsachse und mit außerordentlich hohen Windgeschwindigkeiten in der oberen Troposphäre oder unteren Stratosphäre , der durch große horizontale Temperaturunterschiede und die Corioliskraft verursacht wird.

Entdeckung

Jet Streams wurden erstmals von Wasaburo Oishi dokumentiert, dessen regelmäßige Wetterballonstarts von Japan aus in den 1920er Jahren immer mit einer beträchtlichen Geschwindigkeit über den Pazifik hinausflogen.

Wie die Messungen von Oishi zeigten, ist der Jet in der oberen Troposphäre am stärksten, in etwa 6-8 Meilen Höhe. Das ist in etwa die Höhe, in der Flugzeuge fliegen, und tatsächlich achten sie oft sorgfältig auf den Jetstream: Man spart Treibstoff, wenn man bei ostwärtigem Flug im Jet bleibt und wenn man ihn bei westwärtigem Flug meidet.

Dem deutschen Meteorologen Heinrich Seilkopf wird zugeschrieben, dass er 1939 einen speziellen Begriff für das Phänomen geprägt hat: 'Strahlströmung'. Ein kurzer historischer Überblick findet sich in Wikipedia.

jetgraphzellen

Jet-Streams innerhalb der globalen Drucksysteme und Zirkulationszellen

 

Quelle: RAO

Beschreibung

Definitionsgemäß weisen Strahlströme Windgeschwindigkeiten von mindestens 30 m/s (also 108 km/h, d.h. Orkanstärke!) auf, häufig werden Geschwindigkeiten von 70 bis 100 m/s (das entspricht ca. 250 bis 360 km/h) erreicht und die Höchstwerte dürften um 180 m/s (rund 650 km/h) liegen. Da die Strömungsgeschwindigkeit sowohl in vertikaler als auch in horizontaler Richtung zu den Rändern hin rasch abnimmt, herrschen in Strahlströmen starke, sowohl vertikale wie auch horizontale Windscherungen vor. Strahlströme haben normalerweise Ausdehnungen von einigen 1000 km Länge, sind in der Horizontalen einige 100 km breit und in der Vertikalen wenige Kilometer mächtig. Jetstreams mäandrieren wie Flussläufe, können sich in mehrere Äste aufspalten und sind hinsichtlich ihrer Lage im Raum, ihrer Form und Intensität ständigen Veränderungen unterworfen.

Ursachen für die Existenz von Strahlströmen

Das liegt an zwei entscheidenden Faktoren: Rotation und Erwärmung.

Der Planet wird ungleichmäßig aufgeheizt, weil die Sonneneinstrahlung in den Tropen unverhältnismäßig stark ist und an den Polen nicht ansteigt. Dadurch wird die Atmosphäre in Bewegung versetzt, da einige Luftmassen wärmer werden und mehr Auftrieb haben als andere. Aber der Planet dreht sich auch, und das schränkt die resultierende Flüssigkeitsströmung ein, insbesondere in Nord-Süd-Richtung. Diese beiden Faktoren führen dazu, dass sich die resultierende Strömung in West-Ost-Richtung ausdehnt und sich Jetstreams bilden.

Auffällige Laborexperimente, die zeigen, dass diese beiden Bestandteile zu Jetstreams führen, wurden erstmals von Dave Fultz durchgeführt, der als Meteorologe auf dem US-Luftwaffenstützpunkt auf Guam während des Zweiten Weltkriegs die Kraft des Jetstreams aus erster Hand erfahren hatte. Als er nach dem Krieg nach Chicago zurückkehrte, machte er sich daran, eine solche Strömung zu reproduzieren, indem er einen kugelförmigen Wassertank mit einem Heizelement darunter baute. Um die Erdrotation zu simulieren, drehte er den Tank und sah, wie die Strömung in chaotische Wellen und, was vielleicht noch spannender war, in mehrere West-Ost-Strahlströme zerfiel.

Strahlstromsysteme

Auf beiden Halbkugeln treten folgende Strahlstromsysteme auf:

a) der sehr beständige, aber weniger intensive Subtropen-Jet, der sich vorwiegend in großer Höhe am Rande der tropischen Hadley-Zellen befindet. Über dem subtropischen Hochdruckgürtel zieht er sich etwa längs einer gedachten Linie von den Bermudas über die Kanaren, Nordafrika, den Persischen Golf, Indien, Südchina, den Pazifik bis Kalifornien. Auf der Nordhalbkugel liegt er im Sommer konstant auf ca. 40°N und im Winter ebenfalls konstant auf 30°N (zonales westliches Starkwindband). Seine mittlere Höhe beträgt etwa 12 km über Grund, also etwas unterhalb der dortigen Tropopause.

b) der wellenförmige, stellenweise unterbrochene Polarfront-Jet (Höhe ca. 10 km) in den höheren Mittelbreiten (zwischen 50° und 75° Breite). Seine geographische Lage ist eng an die der Polarfront (Grenze zwischen warmer und kalter Luft) gekoppelt und ist daher stark veränderlich. Wegen der hohen räumlichen Variabilität des Polarfront-Jets, der vor allem über den Ozeanen stark mäandriert, ist im Gegensatz zu modellhaften Darstellungen eine räumliche Trennung beider Jets, vor allem auf der Nordhemisphäre und speziell in den Westteilen von Atlantik und Pazifik schlecht oder gar nicht zu erkennen. Die beiden Jets sind manchmal nach Breitengraden getrennt (dies ist häufig über dem Atlantik der Fall), manchmal aber auch miteinander verschmolzen (wie dies häufiger über dem Pazifik der Fall ist) und bilden eine breitere Region mit Westwinden in mittleren Breiten.

Insbesondere in Karten mit zeitlichen Mittelwerten des 200 hPa-Niveau-Zonalwindes tritt der Subtropenjet viel deutlicher hervor, als der Polarfrontjet, da letzterer durch die großen Schwankungen der Polarfront ebenfalls großen Verlangerungen unterliegt. Daher wird oft vom Subtropenjet als dem Jetstream gesprochen. Allerdings ist der Polarjet für die synoptisch-meteorologischen Prozesse in den mittleren Breiten am bedeutsamsten.

Diese Jetstreams winden sich in Schlangenlinien von West nach Ost rund um die Nord- und Südhalbkugel und verlagern sich mit dem Sonnenstand, so dass sie im Sommer nördlicher (Nordhalbkugel) bzw. südlicher (Südhalbkugel) liegen als im Winter.

Neben den bekannten großen Jetstreams gibt es aber auch noch

Jahreszeitliche Verlagerung des Polarfrontjets über den USA

Jahreszeitliche Verlagerung des Polarfrontjets
über den USA

 

 

Quelle:
UCAR - MetEd (Zugang nach kostenfreier Registrierung)

Bedeutung der Strahlströme:

Es hat sich herausgestellt, dass der Jet in mehrfacher Hinsicht direkte Auswirkungen auf die Wettermuster an der Oberfläche hat.

ENSO und Strahlströme

Klimaprognostiker versuchen vor allem vorherzusagen, wie sich die Jets in den kommenden Monaten oder Jahreszeiten verhalten werden. Diese Aufgabe ist zwar immer noch eine große Herausforderung, aber sie wird dadurch ermöglicht, dass die Jets nicht nur chaotisch schwanken, wie die Schmetterlinge flattern (obwohl sie das natürlich oft tun). Insbesondere auf saisonalen Zeitskalen können die Jets durch andere Faktoren im Klimasystem beeinflusst werden, und ENSO ist das beste Beispiel dafür.

Ein El Niño-Ereignis kann sich auf verschiedene Weise auf die Jets auswirken: erstens durch die Erwärmung der Tropen und die Verstärkung des entscheidenden Temperaturkontrasts zwischen den Breitengraden und zweitens durch die Auslösung regionaler Muster in Verbindung mit (atmosphärischen) Rossby-Wellen. Die atmosphärische Zirkulation über dem Nordpazifik in diesem Winter ist ein gutes Beispiel für den letztgenannten Effekt.

Ein ausgeprägter El Niño im Pazifik kann den Jetstream in den mittleren Breiten stören. Wenn sich die Meeresoberflächentemperatur bei einem El-Nino-Ereignis im Ostpazifik erhöht, kurbelt dies Verdunstung und Konvektion an. Die Wärme, die dabei freigesetzt wird, gelangt in die höhere tropische Troposphäre. Dies wiederum verstärkt die Hadley-Zelle, welche die freigesetzte Energie in der oberen Troposphäre polwärts verteilt.

In der Folge wird der Temperaturgegensatz zwischen den Tropen und den Polen größer, wodurch auch der Jetstream an Stärke gewinnt. Er bringt dann kräftigere Tiefs, die eine leichte Abkühlung der Troposphäre der mittleren Breiten bewirken.

Ein regionaler Effekt: Während eines El Niño-Ereignisses bewegen sich die Jet-Streams von Westen nach Osten über den nördlichen Golf von Mexico und Nordflorida. Daher treten in diesen Gegenden vermehrt Tornados auf.

In einem durchschnittlichen Jahr erstreckt sich der Jet über den Pazifik in Richtung Nordamerika, obwohl er über Japan am stärksten ist. Doch beispielsweise der Dezember 2021 lag in keinem durchschnittlichen Jahr; stattdessen zeigte sich das klassische La Niña-Signal, das oft als negative Phase des Pazifik-Nordamerika-Musters (Pacific-North American Pattern, PNA) bezeichnet wird. Anstatt dass der Jetstream von Japan aus nach Osten über den Nordpazifik strömte, schlängelte er sich nach Norden bis nach Alaska, bevor er über die angrenzenden Vereinigten Staaten nach Süden zurückkehrte. Dies deutet auf eine effektreiche Welle hin, die ihren Ursprung im tropischen Pazifik hat und sich über den Nordpazifik nach Nordamerika windet.

Meist verlagern sich die Jet-Streams während eines La Niña-Ereignisses von den zentralen Rocky Mountains ostnordöstlich zu den östlichen Grossen Seen. Das heisst, dass die Tornados mehr nördlich und westlich anzutreffen sind, als während El Niño.

Struktur der Jetstreams der nördlichen Hemisphäre im Dezember 2021 im Vergleich zur Klimatologie (Durchschnitt von 1981-2010)

Struktur der Jetstreams der nördlichen Hemisphäre im Dezember 2021 im Vergleich zur Klimatologie (Durchschnitt von 1981-2010)

Struktur der Jetstreams der nördlichen Hemisphäre im Dezember 2021 im Vergleich zur Klimatologie (Durchschnitt von 1981-2010). Die Darstellung zeigt die Windvektoren und -stärken auf der 300-hPa-Ebene in der Atmosphäre. Abbildung von NOAA Climate.gov unter Verwendung von NOAA ESRL/PSD-Daten.

Quelle: NOAA

Die Kunst der subsaisonalen bis saisonalen Vorhersage für die mittleren Breiten besteht also weitgehend darin, den Zustand der Jetstreams vorherzusagen. Fälle wie dieser mit einer regionalen pazifischen Reaktion auf ENSO werden oft gut vorhergesagt, und der Dezember 2021 war keine Ausnahme. Andere Merkmale wie der atlantische Jet sind schwieriger vorherzusagen, aber auch hier verfügen moderne Modelle oft über nützliche Fähigkeiten. Am schwierigsten ist die Vorhersage des längerfristigen Trends: Wie wird sich eine weitere Erwärmung des Klimas auf die so wichtigen Jetstreams auswirken? Dazu gibt es in der Literatur viele clevere Ideen, aber insgesamt bleibt unser Vertrauen in das, was passieren wird, leider gering.

Lage der Jet-Streams (Januar - März) bei einem El Niño- und bei einem La Niña-Ereignis

en_na_winter ln_na_winter

El Niño-Episoden im Winter zeichnen sich durch einen starken Jetstream und eine stürmische Zugbahn über dem südlichen Teil der Vereinigten Staaten aus, während es im Norden weniger stürmisch und milder als im Durchschnitt ist. La Niña-Episoden zeichnen sich durch eine sehr wellenförmige Jetstream-Strömung über den USA und Kanada aus, mit kälteren und stürmischeren als durchschnittlichen Bedingungen über dem Norden und wärmeren und weniger stürmischen Bedingungen über dem Süden.

Quelle: NOAA - CPC

JMA-Index

Syn. Niño3-Index; Index der Japan Meteorological Agency zur Abgrenzung von Warm-, Kalt- und Neutral-Phasen innerhalb des ENSO-Zyklus. Der Index beruht auf den Anomalien der Meeresoberflächentemperatur (SST) im Gebiet von 4° N bis 4° S und 150° W bis 90° W.
Von einem El Niño wird dann gesprochen, wenn der fünfmonatige Durchschnitt der SST-Anomalien während wenigstens 6 aufeinanderfolgenden Monaten größer als 0,5 °C ist. Das Ereignis muss vor September beginnen und die Monate Oktober, November und Dezember umfassen.
Für La Niña gilt Entsprechendes mit einem um 0,5 °C unter dem Durchschnitt liegenden Wert. Jahre, die beide Bedingungen nicht erfüllen, werden als neutral eingestuft.

JMA Index 1976 - 2017

JMA Index 1976 - 2020

(wird nicht fortgeführt)

 

Quelle:
Center for Ocean-Atmospheric Prediction Studies

 

Im Kapitel 'Aktueller Zustand des Pazifiks' befinden sich Links zu Webseiten, auf denen man weitere Werte des JMA-Index findet. Allerdings: Ab Februar 2020 wird dieses Produkt der JMA nicht mehr aktualisiert.

Vor einigen Jahren wurde von amerikanischer Seite der Oceanic Niño Index (ONI) etabliert, der eine ähnliche Grundlage hat und inzwischen als einheitlicher Messindex und Definition für El Niño und La Niña herangezogen wird. Siehe auch Oceanic Niño Index, Multivariater ENSO Index und Southern Oscillation Index.