Die El Niño / La Niña-Klimavariabilität im tropischen Pazifik und ein Vergleich der ihr zugrunde liegenden Prozesse mit jenen im tropischen Atlantik

Examination Thesis , 2003 , 72 Pages , Grade: 1,0

Geography / Earth Science - Meteorology, Aeronomy, Climatology

In der Arbeit wird die El Niño/ La Niña-Klimavariabilität im tropischen Pazifik in seinen zentralen Aspekten dargestellt. Hierfür werden aus der Forschungsliteratur zum „El Niño“-Phänomen zentrale Prozesse und Gesetzmäßigkeiten der wechselseitigen Beeinflussung von Ozean und Atmosphäre im tropischen Pazifikraum herausgearbeitet.
Es wird geprüft, welche Hinweise in der Forschungsliteratur zu vergleichbaren Prozessen im tropischen Atlantik existieren. Abschließend werden die herausgearbeiteten Klimavariabilitäten in beiden Regionen in ein ganzheitliches Bild der allgemeinen atmosphärischen Zirkulation in den tropischen Breiten eingeordnet.

Für die Regionen des Pazifiks und Atlantiks werden Prozesse und Regelhaftigkeiten herausgearbeitet, die zu interannualen Variabilitäten des bodennahen Luftdrucks, der Winde, der Meeresströmungen, der SST, der Thermokline, des Meeresspiegels, der Niederschlagsverteilung und schließlich der allgemeinen atmosphärischen Zirkulation in den Tropen führen.
Sowohl für den Atlantik als auch für den Pazifik werden positive Rückkopplungen in der wechselseitigen Beeinflussung von Ozean und Atmosphäre beschrieben, die eine anfängliche Störung verstärken.
Doch während die interannualen Variabilitäten der SST im Pazifik durch diese Rückkopplungen große Amplituden erreichen und annuale Variabilitäten dominant überlagern, werden diese Rückkopplungen im Atlantik aufgrund der geringeren Beckenbreite und der vorspringenden Landmassen gedämpft und durch dominante annuale Variabilitäten überprägt: So erreichen die SST-Anomalien des äquatorialen Modus der Variabilität im Atlantik durchschnittlich nur 1/3 des Wertes der Anomalien im Pazifik. Daraus kann gefolgert werden, dass der Atlantik generell leichter von Interaktionen der Troposphäre mit anderen Regionen der Welt beeinflusst werden kann. Im Gegensatz zum Pazifik, für den eine zumindest teilweise selbst erhaltende Oszillation der SO festgestellt werden konnte, ist daher im Atlantik für die Initiierung der Warm- und Kaltphasen der Einfluss der SO als maßgeblich anzusehen.

Inhaltsverzeichnis

1. Einführender Teil
1.1 Themenstellung
1.2 Begründung der Themenstellung und Abgrenzungen
1.2.1 Forschungsgeschichte und Bestimmung der Begriffe El Niño, La Niña und ENSO
1.2.2 Konsequenzen für die weitere Forschung
1.2.3 Vergleichbarkeit der für den Pazifik erforschten Prozesse und Regelhaftigkeiten mit jenen im Atlantischen Ozean
1.2.4 Leitfragen und Abgrenzungen

2. Die El Niño / La Niña-Klimavariabilität im tropischen Pazifik als interannualer Zyklus
2.1. Southern Oscillation
2.1.1 Zur Struktur der Southern Oscillation: Zyklus oder Folge von Ereignissen?
2.1.2 Erklärungen für die Southern Oscillation
2.2 La Niña-Phase
2.2.1 Zur Situation des Bodendrucks während der La Niña-Phase im tropischen Pazifikraum
2.2.2 Auswirkungen des Bodendrucks auf Passate im tropischen Pazifikraum
2.2.3 Der Einfluss der Passate auf Meeresströmungen vor der Westküste Südamerikas
2.2.4 Der Einfluss der Passate und der Meerströmungen auf die SST-Verteilung im tropischen Pazifik
2.2.5 Position der Thermokline im tropischen Pazifik während der La Niña-Phase
2.2.6 Auswirkungen der SST auf den Niederschlag im tropischen Pazifikraum während der La Niña-Phase
2.2.7 Rückwirkungen der SST auf Luftdruck und Diskussion der Ursachen für den Phasenwechsel zu El Niño
2.2.7.1 Wechselwirkung zwischen Hadley- und Walker-Zirkulation als Auslöser für die Phasenwechsel der Southern Oscillation
2.2.7.2 Ozeanische Wellen als Auslöser für die Phasenwechsel der Southern Oscillation
2.2.7.3 Annuale Variabilitäten als Auslöser für die Phasenwechsel der Southern Oscillation
2.3 El Niño-Phase
2.3.1 Anstieg der SST im zentralen und östlichen Pazifik während der El Niño-Phase
2.3.2 Position der Thermokline im tropischen Pazifik während der El Niño-Phase
2.3.3 Auswirkungen der SST auf die Niederschläge im tropischen Pazifikraum während der El Niño-Phase
2.3.4 Folgen für die atmosphärische Zirkulation in den Regionen des tropischen Pazifiks und Atlantiks

3. El Niño-typische Phänomene im tropischen Atlantik
3.1 Forschungsstand
3.1.1 Existenz von kalten und warmen Phasen im Atlantik
3.1.2 Einfluss der Southern Oscillation auf Variabilitäten des Windes im Atlantik
3.1.3 Abgrenzung der El Niño/ La Niña-typischen äquatorial orientierten Variabilität von annualen Variabilitäten
3.2 Auswirkungen der SO-induzierten Variabilitäten des Windes auf die Variabilitäten im Atlantik und Vergleich mit der Situation im Pazifik
3.2.1 Variabilitäten des Luftdrucks und der Passate
3.2.2 Auswirkung der Ostwinde auf die interannualen Variabilitäten der SST im tropischen Atlantik
3.2.2.1 Kaltphase
3.2.2.2 Warmphase
3.2.3 Veränderung der Lage der Thermokline, der Strömungen und des Meeresspiegels
3.2.4 Folgen der Variabilitäten der Winde und der SST für die ITC, Walker-Zirkulation und die Niederschlagsverteilung

4. Zusammenfassung und Einordnung
4.1 Thesen zur Einordnung in ein ganzheitliches Bild der atmosphärischen Zirkulation in den Tropen
4.2 Vergleich der Prozesse

5. Zitierte Literatur

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Korrelation des mittleren jährlichen Luftdrucks an der Meersoberfläche mit dem Luftdruck in Darwin, Australien

Abbildung 2:Zeitreihen der anomalen ostpazifischen Meeresoberflächenemperatur (Niño-3 Index) und des Southern Oscillation Indexes (SOI)

Abbildung 3: SST entlang des Äquators (gemittelte Werte aus dem Bereich zwischen 4°N-4°S) in den Jahren 1982-1994

Abbildung 4a und 4b: Mittlerer monatlicher Druck und vorherrschende Winde an der Erdoberfläche im Januar und Juli

Abbildung 5: Schema zur Entstehung thermisch bedingter horizontaler Luftdruckunterschiede

Abbildung 6: Die Ekman-Spirale auf der Südhalbkugel

Abbildung 7: Schematische Darstellung der äquatorialen bzw. nordäquatorialen Divergenz

Abbildung 8: SST-Verteilung im Pazifik während der La Niña Phase

Abbildung 9: Schematische Darstellung der Thermokline, der SST-Verteilung und Konvektionsgebiete im tropischen Pazifik zur La Nina-Phase

Abbildung 10: Jahresmengen des Niederschlags über dem Meer im Bereich des Humboldtstromes

Abbildung 11a und b: (a): Durchschnittliche 1000 mb-Stromlinien für den Monat Januar in den Jahren 1979 bis 1981 im Pazifik. (b): Schematische Darstellung der Walker-Zirkulation während der La Niña-Phase

Abbildung 12a und 12b: Darstellungen des „Multivariate ENSO Index“(MEI) für die El Niño-Phase (12a) und La Niña-Phase (12b)

Abbildung 13a-d: Positive SST-Anomalien in °C während eines typischen El Niño, basierend auf gemittelten Daten aus dem Zeitraum 1950 bis

Abbildung 14: Schematische Darstellung der Thermokline, der SST-Verteilung und der Konvektionsgebiete während der El Niño-Phase

Abbildung 15: SST Verteilung im Pazifik während der El Niño-Phase Januar

Abbildung 16a und b: Schematische Darstellung der Walker-Zirkulation während der La Niña-Phase (a) El Niño-Phase (b)

Abbildung 17: Anomalien des zonalen Windes in Höhe der 200-mb und der 850mb Druckfläche in m s-1

Abbildung 18a und b: (a): Vertikalgeschwindigkeit in der mittleren Troposphäre (bei 500 mb) im Januar. (b): Walker-Zirkulation im Januar

Abbildung 19a und b: (a) Vertikalgeschwindigkeit in der mittleren Troposphäre (bei 500 mb) im Juli. (b) Walker-Zirkulation im Juli

Abbildung 20a und 20b: SST in °C im tropischen Atlantik im Juni 1983 (a) und im Juni 1984 (b)

Abbildung 21: SST-Anomalien in °C. Es handelt sich um Mittelwerte für den jeweils wärmsten Monat der 11 Warmphasen: 1963, 1968, 1973, 1981, 1984, 1987, 1988, 1995, 1996, 1998,

Abbildung 22: Meeresspiegel 1982-1984 in Walvis Bay (Namibia), überlagert durch die Kurve für die zonalen Windanomalien in Höhe der 850 mb-Fläche

Abbildung 23: Vertikalgeschwindigkeit in der mittleren Troposphäre (bei 500 mb) während der Warmphase im Atlantik

Abbildung 24: Die Walker-Zirkulation während der Warmphase im Atlantik

Abbildung 25: Schematische Darstellung der Walker-Zirkulation während der Warmphase im Atlantik

1. Einführender Teil

1.1 Themenstellung

In dieser Arbeit wird die El Niño/ La Niña-Klimavariabilität im tropischen Pazifik in seinen zentralen Aspekten dargestellt. Hierfür sollen aus der Forschungsliteratur zum „El Niño“-Phänomen zentrale Prozesse und Gesetzmäßigkeiten der wechselseitigen Beeinflussung von Ozean und Atmosphäre im tropischen Pazifikraum herausgearbeitet werden.

Ferner wird geprüft, welche Hinweise in der Forschungsliteratur zu vergleichbaren Prozessen im tropischen Atlantik existieren.

Schließlich soll eine Einordnung der herausgearbeiteten Klimavariabilitäten in beiden Regionen in ein ganzheitliches Bild der allgemeinen atmosphärischen Zirkulation in den tropischen Breiten angestrebt werden.

Die Methode dieser Arbeit ist Literaturarbeit.

1.2 Begründung der Themenstellung und Abgrenzungen

Im Folgenden sollen zunächst die oben genannte Themenstellung begründet und Abgrenzungen getroffen werden. Es ist zudem notwendig Begriffsbestimmungen vorzunehmen.

Insbesondere der Terminus „El Niño“ bedarf einer Klärung, da er im Verlauf seiner Verwendung einen Bedeutungswandel erfuhr und auch heute nicht eindeutig gebraucht wird: „The term ´El Niño´ has evolved in its meaning over the years, leading to confusion in its use.“ (Trenberth 1997: 2771).

Zu diesem Zweck wird unter 1.2.1 ein einleitender Überblick über die bedeutsamsten Ansätze zur Erforschung des Phänomens im Verlauf des 19./20. Jahrhunderts gegeben.

Aus der Entwicklung der Ansätze im Verlauf der Forschung wird ferner auch abgeleitet, welche Konsequenzen sich für die weitere Forschung und die Themenstellung dieser Arbeit ergeben.

1.2.1 Forschungsgeschichte und Bestimmung der Begriffe El Niño, La Niña und ENSO

Die Bezeichnung „El Niño“ (El Niño spanisch: Das Christkind) wurde ursprünglich von peruanischen Fischern und Seeleuten gewählt, um das jährliche Auftreten eines ungewöhnlich warmen südwärtigen Küstenstroms vor der Westküste Perus und Ecuadors zur Weihnachtszeit zu benennen (Carillo 1892, zitiert bei Allan, Lindesay & Parker 1996: 4).

Nach Allan et al. (1996: 4) lassen sich bereits Texten aus dem frühen 16. Jahrhundert Hinweise auf eine solche Erscheinung entnehmen, doch war es Carillo (1892), der die einzelnen Beobachtungen über die warme Meeresströmung, gleichzeitig festgestellte ungewöhnliche Niederschläge und Zusammensetzungen der Fischfänge erstmalig zusammenfassend darstellte und mit dem Begriff „El Niño“ belegte.

Aus den Beobachtungen der El Niños geht hervor, dass sie in unregelmäßigen Abständen besonders starke Ausmaße in Amplitude und Dauer annahmen, die gemäß Philander (1990: 1) als „años de abundancia“ bezeichnet wurden.

In der Forschung wurden jedoch die El Niños lange Zeit nur als „ozeanische Ereignisse von nur lokaler Bedeutung“ (Latif 1986: 91) wahrgenommen und nicht weiter beachtet.

Erst im Verlauf des „Internationalen Geophysikalischen Jahres“ 1957 und 1958, das mit den zwei „años de abundancia“ 1957 und 1958 zusammenfiel, wurde die Forschung auf das Phänomen aufmerksam und registrierte nicht nur ozeanische, sondern auch atmosphärische Anomalien.

Philander (1990: 2-6) betont, dass die ozeanographische und meteorologische Forschung dabei zunächst nahezu getrennt voneinander jeweils auf ihre eigenen Forschungsgebiete begrenzt blieb, was die Erarbeitung von ganzheitlichen Erklärungsmodellen und die Einordnung in regionale oder globale Zusammenhänge erschwerte.

Erst 1969 gelang es Bjerknes (1966, 1969), sowohl ozeanographische wie auch meteorologische Erscheinungen in einem Erklärungsmodell zu kombinieren und im Rahmen der von ihm postulierten Walke-Zirkulation als Bestandteil der atmosphärischen und ozeanischen Zirkulation im Pazifik zu positionieren. Er stellte damit gleichzeitig auch die Verbindung zur Southern Oscillation (SO) her, die bereits in den 20er Jahren von Walker (1923, 1924; zitiert bei Philander 1990: 3) beschrieben wurde. Er erkannte ferner, dass der Kopplung von Ozean und Atmosphäre eine dominante Bedeutung zukommt.

Der Begriff El Niño erfuhr im Verlauf dieses Erkenntnisprozesses gemäß der Darstellung von Philander (1990: 4) einen Bedeutungswandel: War er ursprünglich ein Begriff für eine jährliche, lokale Meeresströmung vor der Küste Perus, so wird er heute auf die unregelmäßigen „años de abundancia“ inklusive der mit ihnen verbundenen globalen Variabilitäten des Ozeans und der Atmosphäre bezogen: El Niño ist nach Philander (1990: 4) die Phase der Southern Oscillation, in der die Passatwinde schwach sind, der Bodendruck im östlichen tropischen Pazifik niedrig und im westlichen Pazifik hoch ist: „ At present the term ´El Niño´ describes not a local seasonal current off the coast of Peru but the infrequent ´años de abundancia´ and the associated changes in the circulations of the tropical Pacific and the global atmosphere. El Niño is that phase of the Southern Oscillation when trade winds are weak and when pressure is low over eastern and high over western tropical Pacific ”.

Für die komplementäre Phase der SO verwendet Philander (1990: 11) den Terminus „La Niña“. La Niña ist durch starke Passatwinde, hohen Bodendruck im östlichen, niedrigem im westlichen tropischen Pazifik und geringen Meeresoberflächentemperaturen im zentralen und östlichen Pazifik bei wenig Niederschlag zu kennzeichnen: “During La Niña, surface pressure is high over eastern but low over the western tropical Pacific, while trades are intense and the sea surface temperatures and rainfall are low in the central and eastern tropical Pacific. ” (Philander 1990: 11).

Demgegenüber sehen zahlreiche Autoren den Begriff El Niño auf die lokalen Erscheinungen des Phänomens, bezogen auf die „años de abundancia“, in Südwestecuador und Nordwestperu begrenzt (Dornbusch 1997: 28, Definition des „Scientific Committee for Oceanic Research [SCOR]“ 1983, zitiert bei Trenberth 1997: 2772).

In dieser Arbeit soll der Auffassung von Philander (1990) gefolgt werden, da seit den von Bjerknes (1969) aufgezeigten Zusammenhängen mit der SO in globalem Maßstab eine auf den Küstenraum Perus und Ecuadors begrenzte Definition von El Niño nicht mehr sinnvoll ist.

Zudem ist mit dem Begriffspaar El Niño und La Niña als komplementäre Phasen der SO ein geeignetes Instrument zur Beschreibung des Phänomens gegeben.

Zur Verdeutlichung des Zusammenhanges von El Niño mit der SO wird in der Literatur vor allem im englischen Sprachraum auch das Akronym ENSO (E l N iño/ S outhern O scillation) verwendet (Arntz & Fahrbach, 1991: 30). ENSO wird dabei meist als Oberbegriff für die Southern Oscillation und alle Prozesse gebraucht, die sie einschließt, so z.B. von Hanley, Bourassa, O´Brien, Smith and Spade (2003) und Flügel (1994). Vereinzelt wird mit ENSO jedoch auch nur die El Niño Phase der Southern Oscillation benannt (Kim, K.-Y. und Kim Y.Y. 2002, Staeger 1998).

Der Begriff ENSO soll im Folgenden vermieden werden, da keine analog gebildete Bezeichnung für die komplementäre Phase La Niña existiert, er zudem tautologisch gebildet und neben dem Term SO schlicht überflüssig ist: “If we accept that all these phenomena [Oscillation between El Niño and its complement La Niña] have both atmospheric and oceanic aspects, then the tautological and entirely unnecessary acronym ENSO should fall into disuse “ (Philander 1999: 73). Bei der Verwendung des Begriffspaares El Niño/La Niña darf nicht aus den Augen verloren werden, dass El Niño entgegen seiner Wahrnehmung in der Öffentlichkeit als katastrophaler Ausnahmezustand und Anomalie (Philander 1999:72) nur eine Phase eines relativ regelmäßigen und im globalen Maßstab wirksamen Zyklus ist. Die Frage, ob es sich bei der SO um einen Zyklus oder jeweils um einzelne Ereignisse handelt, wird unter 2.1.1 diskutiert.

Philander (1990) hebt hervor, dass die Begriffe SO, El Niño und La Niña nicht exakt definiert werden können: Die genannten Begriffe umfassen sämtliche mit ihnen verbundene Prozesse und Folgeerscheinungen und bleiben aufgrund von großen Unterschieden zwischen verschiedenen El Niños und La Niñas so allgemein und qualitativ, wie es der Begriff „Winter“ für die stets variierenden Abläufe der kalten Jahreszeit ist: „It is more practical to avoid strict definitions and to accept that the terms Southern Oscillation, El Niño, and La Niña are general and qualitative. They are useful in the same way that the term winter is useful even though each winter is different“ (Philander 1990: 11., vgl. auch Philander 1999: 73).

1.2.2 Konsequenzen für die weitere Forschung

Aus den oben stehenden Ausführungen ist deutlich geworden, dass sich im Verlauf der Erforschung des El Niño-Phänomens die Perspektive auf El Niño in vielfältiger Hinsicht schrittweise geweitet hat:

In zeitlicher Dimension von einem annualen zu einem interannualen^[1], in räumlicher von einem lokalen Phänomen bis hin zu einem Bestandteil der atmosphärischen und ozeanischen Zirkulation im Pazifik in globalem Maßstab. Zudem wurde festgestellt, dass die SO nur als komplexes Wirkungsgefüge zwischen Ozean und Atmosphäre verstanden werden kann.

Die neuere Forschung bleibt deshalb nicht auf den Pazifikraum begrenzt, sondern bezieht auch alle anderen Erdteile bei der Suche nach Erklärungen für atmosphärische und ozeanische Prozesse mit ein:

Enfield & Mayer (1997: 929) betonen, dass annuale und interannuale Variabilitäten im Pazifik auch von Interaktionen der Troposphäre mit anderen Regionen des Weltozeans, insbesondere mit dem Indischen Ozean und dem Atlantik, beeinflusst werden. Es sei für ein besseres Verständnis und zur Verbesserung der Vorhersagbarkeit von Klimavariationen erforderlich, mehr über diese Regionen zu lernen.

Da das El Niño-Phänomen weltweit das Interesse der Forschung auf sich gezogen hat, wurden verschiedene Aspekte der atmosphärischen und ozeanischen Zirkulation im Pazifikraum bereits gut erforscht, während man nach Carton & Zhou (1997) zum Beispiel über die Ursachen für den annualen Zyklus der Meeresoberflächentemperatur (im Folgenden wird die Abkürzung SST für engl.: S ea S urface T emperature verwendet) im Atlantik nur wenig weiß:

„Little is yet known about the causes of the annual cycle of sea surface temperature (SST). This is surprising because SST ist he most important physical parameter of the ocean affecting the atmosphere“ (Carton & Zhou 1997: 813).

So zeigt sich, dass der Forschungsbedarf in Regionen außerhalb des Pazifiks noch groß ist.

1.2.3 Vergleichbarkeit der für den Pazifik erforschten Prozesse und Regelhaftigkeiten mit jenen im Atlantischen Ozean

Verschiedene Autoren sehen aufgrund von großen Ähnlichkeiten zwischen dem Pazifik und dem Atlantik prinzipiell die Möglichkeit, die für den Pazifikraum gewonnenen Erkenntnisse auf den Atlantikraum zu übertragen (vgl., Philander 1990: 44, Carton & Zhou 1997: 813, Shannon, Boyed, Bundrit & Taunton-Clark, 1986: 496). Nach Philander (1990: 44) sind die Rahmenbedingungen in beiden Ozeanen ähnlich:

Beide Regionen werden im Osten und Westen von Kontinenten begrenzt, auf denen Konvektionszonen ausgebildet sind. Beide liegen im direkten Einflussbereich der ITC, deren meridionale Lageveränderungen und die daraus resultierenden Verteilungsmuster der Niederschläge vergleichbar sind. Offensichtlich werde dies an der Tatsache, dass die Kontinente Afrika und Südamerika aride Gebiete (Namib, Atacama) an entsprechenden Positionen ihrer westlichen Küstenstreifen aufweisen.

Im Atlantik sind zudem für mehrere Zeiträume positive SST-Anomalien nachgewiesen worden, die in ihrem Verteilungsmuster große Ähnlichkeiten mit den im Pazifik beobachteten Ereignissen aufzeigen: So gehen Shannon et al. (1986: 496) von solchen Ereignissen in den Jahren 1933/34, 1950, 1963 und von einer besonders starken Anomalie im Jahr 1984 aus.

Servain, Wainer & Dessier (1998: 2) identifizieren Warm- und Kaltphasen im Atlantik mit einer Periodizität von 2-4 Jahren und heben die Jahre 1968, 1984, 1995 und 1997-1998 als Warmphasen signifikanter Ausprägung hervor (siehe Zitat unter 3.2.1).

Besonders das Extremereignis von 1984 wurde von zahlreichen Forschern untersucht, dabei wurden Gemeinsamkeiten mit dem El Niño-Phänomen diskutiert (Philander 1986, Philander 1990, Shannon et al. 1986, Horel, Kousky & Kagano 1986, Weisberg & Colin 1986, Lamb, Peppler & Hastenrath 1986, Hisard, Henin, Houghton, Piton & Rual 1986 und andere).

So kann an dieser Stelle als Ausgangspunkt für diese Arbeit festgehalten werden, dass grundsätzlich eine Vergleichbarkeit der El Niño/ La Niña-Ereignisse im Pazifik mit den im Atlantik beobachteten Phänomenen besteht.

1.2.4 Leitfragen und Abgrenzungen

Davon ausgehend sollen folgende Fragen beantwortet werden:

- Welches sind die die zentralen Mechanismen der wechselseitigen Beeinflussung von Ozean und Atmosphäre im Pazifikraum im Rahmen des El Niño/La Niña-Phänomens?
- Welche Prozesse und Regelhaftigkeiten, die für die Region des Pazifischen Ozeans untersucht wurden, sind auch in der Region des Atlantischen Ozeans wirksam?
- Wie lassen sich die für beide Regionen festgestellten Klimavariabilitäten in ein ganzheitliches Bild der allgemeinen atmosphärischen Zirkulation in den tropischen Breiten integrieren?

Diese Arbeit beschränkt sich bei der Darstellung und der Diskussion der Variabilitäten im äquatorialen tropischen Pazifik- und Atlantikraum auf die Kernprozesse der wechselseitigen Beeinflussung von Ozean und Atmosphäre auf interannualer Zeitskala.

Im Folgenden werden die Abgrenzungen detailliert benannt und begründet:

Ausgehend von einer Sichtung der im Rahmen der El Niño-Forschung angeführten zentralen Aspekte sollen die Variabilitäten des Luftdrucks, der Winde, der Meeresströmungen, der SST, der Thermokline, des Meeresspiegels und schließlich der Niederschlagsverteilung dargestellt werden.

Weiter reichende Auswirkungen der Klimavariabilitäten, wie die von Latif (1998b) betonten lokalen, regionalen und sogar globalen ökonomischen und ökologischen Folgeerscheinungen, sind nicht Untersuchungsgegenstand dieser Arbeit.

Aus diesem Grund werden auch die von zahlreichen Autoren beschriebenen Telekonnektionen („Fernverknüpfungen“ nach Strahler, A.H. & Strahler, A.N.: 175) der El Niño-Ereignisse mit verschiedenen Regionen der Welt nicht dargestellt. Es sei nur erwähnt, dass im Verlauf der Forschung Fernverknüpfungen mit nahezu jeder Region der Erde nachgewiesen wurden: So von Kleber & Arzberger (2001) für Nordamerika, von May (1995) für die atmosphärische Zirkulation in den mittleren Breiten der Nordhalbkugel, von Fraedrich & Müller (1992) für Europa, von Ribera & Mann (2003) für die gesamte südliche Halbkugel, von Webster & Yang (1992) für das Indo-Asiatische Monsun-System und Wollesen, King & Tong (1999) für Ostchina, um nur wenige Beispiele zu nennen.

Eine umfassende Zusammenstellung der globalen und regionalen Folgen findet sich auch auf der Homepage der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA).

Die von vielen Autoren bearbeitete Frage nach der Vorhersagbarkeit von annualen und interannualen Variabilitäten (z.B. Chang, Saravanan & Ji 2003 für den Atlantik, Hastenrath 1995 für die Tropen allgemein) in beiden Ozeanen ist nicht Gegenstand dieser Arbeit.

Da mit der SO ein interannuales Phänomen vorliegt (Philander 1990: 23), wird der Schwerpunkt bei der Darstellung auf die niederfrequenten Variabilitäten der angegebenen atmosphärischen und ozeanischen Größen auf interannualer Zeitskala gesetzt.

Die Kopplung der El Niño-typischen Klimavariabilitäten mit dem annualen Zyklus, wie es vor allem für den Atlantischen Ozean festzustellen sein wird, soll an jener Stelle gleichwohl berücksichtigt werden (vgl. Philander 1999: 84: „Its [the Atlantic] seasonal cycle is more dominant over interannual variability than is the case in the Pacific”).

Modulationen der SO auf interdekadaler Ebene, wie sie von Philander (1999: 87) und Kleeman, McCreary & Klinger (1999) angesprochen werden, können im Rahmen dieser Arbeit nur grob skizziert, aber nicht eingehend berücksichtigt werden. Nach Philander (1990) könne man die tropischen Regionen bei der Betrachtung interannualer Variabilitäten isoliert untersuchen, während bei dem Studium interdekadaler Variabilität weltweite Wechselwirkungen mit den höheren Breiten berücksichtigt werden müssten: “Whereas the tropics can be studied in isolation from the rest of the ocean if the focus is on interannual variability, decadal fluctuations involve interactions between the tropics and extratropics.“ (Philander 1990: 86). So hängt die Wahl des Untersuchungsgebietes eng mit der zu wählenden Zeitskala zusammen.

Das Untersuchungsgebiet wird daher auf die Regionen des Pazifiks und Atlantiks und deren angrenzenden Küstengebiete eingegrenzt, in denen sich nach dem Stand der Forschung die bei der Verursachung des Phänomens maßgeblichen Wechselwirkungen zwischen Ozean und Atmosphäre abspielen: Dies sind jeweils die tropischen Regionen beider Ozeane, die nach Chung, Nigam und Carton (2002: 4-1) mit der Region zwischen 30° S und 30° N angesprochen werden können. Besondere Berücksichtigung wird jeweils der äquatoriale Bereich der Ozeane zwischen 10° S und 10° N (nach Chung et al. 2002: 4-1) finden, da die Variationen der SST nach Philander (1990: 24) in diesem Bereich jeweils ihre Maxima erreichen. In dieser Arbeit werden atmosphärische und ozeanologische Variabilitäten gleichermaßen untersucht: Wenn im Folgenden der Einfachheit halber von einer Situation „im Atlantik“ bzw. „im Pazifik“ gesprochen wird, ist damit die oben benannte tropische Region des Atlantiks bzw. Pazifiks inklusive der angrenzenden Küstengebiete gemeint.

Da unter 1.2.1 betont wurde, dass die El Niño/ La Niña-Ereignisse nicht exakt definiert sind, sondern viel besser über qualitative Beschreibungen der mit ihnen assoziierten Variabilitäten erfasst werden können, bleibt auch die Ansprache der Variabilitäten der oben genannten atmosphärischen und ozeanischen Größen überwiegend qualitativ.

2. Die El Niño / La Niña-Klimavariabilität im tropischen Pazifik als interannualer Zyklus

Es wurde im einleitenden Teil skizziert, dass erst mit der Entdeckung des Zusammenhangs von El Niño mit der Southern Oscillation ein entscheidender Schritt zum Verständnis des Phänomens getan wurde:

Im Folgenden soll daher mit der Beschreibung der SO begonnen werden.

2.1. Southern Oscillation

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die SO lässt sich als eine „Luftdruckschaukel“ (Arntz & Fahrbach 1991: 27, Latif 1986: 91; engl.: „see-saw“, Philander 1999: 75) zwischen dem äquatorialen Mittel- bis Ostpazifik und der indonesischen Inselbrücke ansprechen.

Die SO wurde 1924 erstmalig von Walker (1924) beschrieben: Mit Hilfe statistischer Methoden suchte er nach Zusammenhängen zwischen dem Wettergeschehen in verschiedenen Regionen der Welt und stellte dabei Antikorrelationen zwischen dem bodennahen Luftdruck (engl.: s ea l evel p ressure, SLP) über Indonesien und dem Ostpazifik fest. Auf Abbildung 1 sind die ausgeprägten Korrelationsextrema über dem asiatisch-australischen Raum und dem mehr als 8000 km entfernten Südostpazifik zu erkennen:

Steigt der bodennahe Luftdruck über Indonesien, sinkt er über dem Ostpazifik und umgekehrt.

Ein Maß für die SO stellt der in der Literatur häufig verwendete Southern Oscillation-Index (SOI) dar, „der als Differenz des Luftdrucks auf Tahiti (18S, 150W) und Darwin, Australien (12 S, 131 O), definiert ist.“ (Staeger, 1999: II.I): Bei positivem SOI herrscht hoher SLP auf Tahiti und niedriger in Darwin.

Hanley et al. (2003: 1249) weisen darauf hin, dass die SO auch mit einer Reihe anderer Indizes effektiv beschrieben werden kann und in der Fachwelt kein eindeutiger Konsens bezüglich des besten Index besteht. Gebräuchlich seien neben dem SOI verschiedene Indizes, die die SST-Verteilung in jeweils unterschiedlichen Kernregionen (Niño 1+2; Niño 3 und Niño 4) abbilden.

Philander (1990: 23) und Larkin & Harrison (2001: 3906) heben hervor, dass unter den diversen Indizes zur Beschreibung der SO bemerkenswert hohe Korrelationen bestehen:

In Abbildung 2 sind der SOI und der Niño 3-Index (SST-Verteilung im Gebiet 5°S-5°N und 90°W-150°W) gegenübergestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Deutlich tritt die Kohärenz der Variationen der SOI und der SST in der Niño-3 Region hervor, die mit einem Korrelationskoeffizienten von r=0,82 angegeben wird. Auf Abbildung 3 ist die räumliche Verteilung der SST im Zusammenhang mit dem SOI zu ersehen. Der abgebildete Zeitraum deckt die deutlich ausgeprägten El Niño-Phasen 1982-83, 1986-87 und 1992-1993 und die komplementären La Niña-Phasen ab. Besonders gut erkennbar sind auf dieser Darstellung die Übereinstimmung der Schwankungen des SOI mit der 29°C -Isotherme am östlichen Rand des Warmwasserpools im Westpazifik und die Ausdehnung des warmen Wassers (>28°C) nach Osten bis über 100 °W in den Jahren 1982/83, 86/87, 91/92 und 1993.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Es zeigt sich demnach eine Korrelation zwischen den hohen SST im Ostpazifik, die allgemein als Indiz für eine El Niño-Phase angesehen werden, mit einem negativen SOI: Damit ist ein wichtiger Hinweis gegeben, dass es sich bei dem El Niño-Phänomen um ein Beispiel der „groß-skaligen Wechselwirkung zwischen Ozean und Atmosphäre“ (Latif 1986: 92) handelt, da mit dem SOI als Maß für die Bodendruckverteilung im Pazifik und der SST eine meteorologische Variable sowie eine ozeanologische in globalem Maßstab miteinander verknüpft werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Erst die Erkenntnis dieses Zusammen-hangs der El Niño/La Niña-Ereignisse mit der SO, die 1969 von Bjerknes (1969) veröffentlicht wurde, brachte den Ausweg aus der Kreisargumentation, in der Ozeanologen und Meteorologen lange Zeit bei der Erklärung des Phänomens feststeckten: Während Ozeanologen den Grund für die hohen SST allein den Veränderungen im Windfeld zuschrieben, sahen Meteorologen Veränderungen der SST als ursächlich für die Veränderung der Windsysteme an (vgl. Philander 1999: 72: „ This marriage [of atmospheric and oceanic scientists] is essential if we are to escape the circular argument in which oceanographers attribute the appearance of warm surface waters in the eastern equatorial Pacific, the signature of El Niño, to changes in the surface winds that drive the tropical Pacific, while meteorologists claim that the surface winds change for oceanic reasons, because of the changes in sea-surface temperature patterns“).

So wird auch deutlich, warum nach aktuellem Verständnis der Begriff SO nicht auf die oben angesprochene Bodendruckverteilung im äquatorialen Pazifik beschränkt sein kann, sondern so wie unter 1.2.1 beschrieben auch sämtliche Merkmale der El Niño- und La Niña-Phasen umfasst und schließlich auch über Indizes, die Merkmale beider Phasen abbilden, beschrieben werden kann.

2.1.1 Zur Struktur der Southern Oscillation: Zyklus oder Folge von Ereignissen?

In der Literatur besteht Einigkeit über die Tatsache, dass El Niño die Phase der SO ist, die sich durch niedrigen Luftdruck über dem östlichen Pazifik, schwache Passate und hohe SST charakterisieren lässt, während in der komplementären Phase La Niña entgegengesetzte Vorzeichen vorherrschen (vgl. Philander 1990: 4 und 11, oben zitiert).

Insbesondere in didaktisch vereinfachenden Darstellungen finden sich häufig Beschreibungen, die den Eindruck hervorrufen, die El Niño-Phase sei eine Abweichung von einem „Normalzustand“ des Pazifiks (vergleiche hierzu Claaßen 1998, Geiger & Prager 1998, und Darstellungen im Internet wie http://www.enso.info/).

Aus den Abbildungen 2 und 3 geht jedoch hervor, dass im Pazifik kein solcher Normalzustand existiert. Vielmehr befindet sich der Pazifik nach Philander (1990: 11) entweder in der El Niño- oder in der La Niña-Phase der SO: „Normal conditions can be defined statistically, but it is clear [...] that the Pacific is usually not in a ´normal´state. It is either in one phase of the Southern Oscillation, known as El Niño, or in the complementary phase for which the term La Niña is apposite”. Es sei an dieser Stelle die Frage angeregt, ob sich die Vorstellung von einem Zyklus mit zwei Extrema didaktisch nicht mindestens ebenso griffig vermitteln lässt wie die Abweichung von einem Normalzustand.

Die El Niño-Phasen treten in unregelmäßigen Abständen alle 2-7 Jahre auf, werden regelmäßig von einer La Niña-Phase eingeleitet und münden wiederum in einer La Niña-Phase. Auf Abbildung 2 ist der oszillatorische Charakter der SO erkennbar: „Neben den als El Niño bezeichneten Warmphasen treten ebenso häufig Kaltphasen auf, die mit La Niña benannt werden. Dies legt die Vermutung nahe, daß ENSO auf einem Zyklus basiert“ (Latif 1998b: III).

Demgegenüber betont Allan (2000: 4) die zum Teil deutlichen Unterschiede zwischen einzelnen El Niño-Ereignissen in Amplitude, räumlicher Ausdehnung, Dauer und vielen anderen Merkmalen: „Although composites of climatic patterns and impacts during El Niño and La Niña events tend to be of the opposite sign to another, individual El Niño or La Niña events are never exactly the same and can vary in magnitude, spatial extent, onset, duration, cessation etc .” (vgl. auch Philander 1990). Vor allem bestehe Unklarheit über die Ursachen für die Unregelmäßigkeit der Phasenwechsel. Es seien auf dekadaler sowie auf interdekadaler Zeitskala erhebliche Variabilitäten in der Häufigkeit von El Niños zu verzeichnen, insbesondere zeichne sich im letzten Jahrzehnt eine Dominanz der El Niño-Phasen ab (so Allan 2000: 6).

Kessler (2002) arbeitet heraus, dass die Mechanismen, die zum Phasenwechsel führen, trotz diverser Theorien noch nicht überzeugend geklärt sind und stellt ausgehend von den großen Unregelmäßigkeiten generell die Frage, ob mit der SO überhaupt ein Zyklus oder vielmehr eine Reihe von Ereignissen vorliegt: „Both of these [facts] suggest a break in the cycle preceeding the onset of warm events. Neither of these is consistent with the idea that ENSO is an at least partly self-sustained cycle in which each phase provides the impetus to evolve the next“ (Kessler 2002: 40-3). Chang, Ji, Li & Flügel (1996) kommen zu dem Schluss, dass die bisher vorliegenden Datensätze noch zu kurz sind um zu entscheiden, ob die SO selbst erhaltend ist oder nicht: „The available records are too short to determine whether or not the Southern Oscillation is self-sustaining.“ (Chang et al. 1996, zitiert bei Philander 1999: 85).

Die skizzierten Wissenslücken spiegeln sich auch deutlich in den anhaltenden Schwierigkeiten wieder, El Niño-Ereignisse sicher zu prognostizieren: Insbesondere im Zeitraum zwischen 1990 und 1998 ist es trotz der großen Fortschritte in der Forschung nicht bzw. nur teilweise gelungen, die Entwicklungen der El Niños in den Jahren 1992 und 1997 richtig zu prognostizieren: „Certain coupled ocean–atmosphere models successfully predicted El Niño of 1987 (Barnett et al.,1988) and also that of 1992, but then started having difficulties. They failed to anticipate the persistence of warm conditions following El Niño of 1992, and had mixed success, at best, with forecasting El Niño of 1997” (Philander 1999: 86). Wenn auch inzwischen Entwicklungen für mehrere Monate im Voraus gut antizipiert werden können, liegen Prognosen für die Entwicklung der SO in den folgenden Jahren noch nicht im Bereich des Möglichen.

Auch wenn bisher nicht alle Faktoren, die zu den genannten Variabilitäten auf interannualer bis interdekadaler Zeitskala führen, erschöpfend erforscht werden konnten, so ist dennoch der auf Abbildung 2 ersichtliche alternierende Charakter der beiden Phasen auf interannualer Zeitskala nicht zu bestreiten. Aus diesem Grund soll auch der Begriff Zyklus beibehalten werden.

Es kann festgehalten werden, dass die oben angesprochenen Wissenslücken die Notwenigkeit aufzeigen, mehr über die atmosphärische und ozeanische Zirkulation in den Tropen zu lernen und dabei auch den Indischen und Atlantischen Ozean mit einzubeziehen.

2.1.2 Erklärungen für die Southern Oscillation

Um die Zusammenhänge zwischen den ozeanischen und atmosphärischen Variabilitäten im Rahmen der SO zu erklären, formulierte Bjerknes (1969) eine Hypothese zur atmosphärischen Zirkulation in den Tropen, die auch noch heute in ihren wesentlichen Aspekten Bestand hat: Kernelement der Theorie ist die Erkenntnis, dass die interannualen SST-Variabilitäten im tropischen Pazifik sowohl Ursache als auch Konsequenz der mit der SO beschriebenen atmosphärischen Fluktuationen sind. Ferner formuliert Bjerknes (1969) einen Regelmechanismus zwischen zwei Zirkulationssystemen, der Hadley- und der Walker Zirkulation (vgl. Philander 1999: 75).

Wenn jede in einer Momentaufnahme erfasste Situation der SST zugleich Ursache für den SLP und auch Folge des SLP ist, und dies im kleineren Maßstab auch für das Verhältnis der El Niño / La Niña-Phasen gilt, stellt sich die Frage, wo eine systematische Beschreibung ansetzen sollte, ohne alle wechselseitigen Mechanismen gleichzeitig erklären zu wollen.

In dieser Arbeit soll in induktiver Herangehensweise ausgehend von der La Niña-Phase der SO zunächst gezeigt werden, welche Konsequenzen hoher Luftdruck im tropischen Ostpazifik auf Windfeld, Meeresströmungen, Thermokline und SST hat (2.2.1-2.2.5).

Anschließend wird dargestellt, wie Variationen der SST Veränderungen in der Niederschlagsverteilung bewirken, und schließlich, welche Rückwirkungen die veränderten SST auf Luftdruck und damit wiederum auf die Southern Oscillation haben (2.2.6-2.2.7).

An diesem Punkt sollen die dargestellten Prozesse zusammenfassend als Bestandteile der Hadley- und Walker-Zirkulation diskutiert werden. Ferner werden die gängigen Theorien zur Erklärung der Phasenwechsel der SO erneut aufgegriffen (2.7ff).

2.2 La Niña-Phase

Während eine sehr große Anzahl von Beiträgen in der Literatur der letzten 15 Jahre sich der El Niño-Phase der SO widmet, gibt es nach Erkenntnis von Larkin & Harrison (2001) nur wenige Arbeiten, die sich auf die La Niña-Phase konzentrieren: „While warm events have been subject of numerous studies over the past 15 years, cold events have received considerably less attention“ (Larkin und Harrison 2001: 3904).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Dies mag als Indiz dafür gewertet werden, dass die Auffassung des El Niño / La Niña-Zyklus als eine natürliche, wenn auch unregelmäßige Oszillation sich auch in der Fachliteratur noch nicht gegenüber der Wahrnehmung der El Niños als spektakuläre Ausnahmeereignisse durchsetzen konnte. Angesichts der immensen direkten Auswirkungen der El Niños auf Ökologie und Ökonomie in Südamerika, Asien und Australien ist dies nicht weiter verwunderlich und erklärt, warum der „Normalsituation“ La Niña weniger Bedeutung zugemessen wurde.

Aus der unter 2.1 und 2.1.1 beschriebenen Auffassung der El Niño/ La Niña-Phasen als zwei sich gegenseitig bedingende Zustände eines Zyklus resultiert jedoch, dass zum Verständnis aller Zusammenhänge beide Phasen gleichermaßen berücksichtigt werden sollten.

Einen ersten Überblick über die Verteilung von SST und Bodendruck während einer La Niña-Phase geben die Abbildung 3 in einer Zeitreihe und die Abbildungen 4a und 4b.

2.2.1 Zur Situation des Bodendrucks während der La Niña-Phase im tropischen Pazifikraum

Wie oben angekündigt, soll zunächst die Verteilung des Bodendrucks als Ausgangspunkt für die Betrachtungen herangezogen werden.

La Niña korrespondiert, wie oben gezeigt, mit einem positiven SOI, der für hohen SLP im Ostpazifik und niedrigem über Indonesien steht.

Die auf den Abbildungen 4a und 4b erkennbaren Antizyklonen auf Meeresniveau im östlichen Pazifik (120-130° W beiderseits des Äquators auf ca. 30° nördlicher bzw. südlicher Breite) sind als Bestandteil des subtropisch-randtropischen Hochdruckgürtels anzusprechen:

Die subtropisch-randtropischen Hochs (S-R H) resultieren aus der Hadley-Zirkulation: Diese besteht nach Philander (1990: 17) aus zwei meridional orientierten Zirkulationszellen beiderseits der äquatorialen Tiefdruckrinne (ÄT), zu der infolge des meridionalen Luftdruckgefälles nordöstliche und südöstliche (NE- und SE-) Passate hin konvergieren und dort die innertropische Konvergenzzone (ITC) ausbilden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Aufgrund der großen Bedeutung der innertropischen Konvergenzzonen für die Tropen (Philander 1999: 75, siehe Zitat weiter unten) und der beträchtlichen Rolle der konvergierenden Passatwinde der ITC bei der gegenseitigen Beeinflussung von Ozean und Atmosphäre ist es an dieser Stelle nötig, die wesentlichen Merkmale der Hadley-Zirkulation zu skizzieren:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die für die Hadley-Zirkulation relevanten Vorgänge lassen sich anhand eines einfachen Modells im großen Maßstab verdeutlichen: Werden über einer Heizplatte Luftmassen erwärmt, dehnen sie sich aus, das heißt, Flächen gleichen Drucks werden angehoben und liegen damit höher als in den benachbarten kälteren Gebieten. In der Höhe hat sich als „direkte Folge der Erwärmung ein Höhen-Hoch gegenüber dem kühleren Bereich gebildet“ (Weischet 1995: 129).

So ergibt sich in der Höhe ein gradientenkraftbedingter divergenter Luftmassenaustausch aus den Gebieten höherer Druckflächen in die Gebiete niedrigerer Druckflächen. Ferner kühlt sich die Luft ab und sinkt zu Boden. Aus der Massenverlagerung aus der Luftsäule über der Heizfläche in die benachbarten Luftsäulen folgt die Ausbildung eines Bodentiefs über der Heizfläche und von Bodenhochs in den benachbarten Gebieten, die gradientenkraftbedingtes konvergentes Strömen zur Heizfläche hin und Aufstieg über derselben auslösen:

Es sind zwei Zirkulationszellen entstanden, die zum Ausgleich der sie hervorrufenden thermischen Unterschiede beitragen, man spricht von einer thermisch direkten Zirkulation (vgl. Darstellung von Weischet 1995: 127-132).

[...]

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^[1] Zur Benennung der verschiedenen Zeitskalen werden die Begriffe annual, interannual, dekadal und interdekadal aus dem englischen Sprachgebrauch übernommen. Annual bezieht sich auf den Zeitraum von einem Jahr, interannual umfasst mehrere Jahre. Analog sind die Begriffe dekadal und interdekadal auf Zeitskalen von einem Jahrzehnt bzw. mehrere Jahrzehnte bezogen. Einzelne Autoren verwenden den Begriff saisonal als Synonym für annual, so z.B. Philander (1990, 1999): „Seasonal cycle“ für die Ansprache von Variabilitäten im Jahresgang. Im Folgenden wird in Anlehnung an Carton & Zhou (1997) der Begriff annual für die Bezeichnung von Variabilitäten im Jahresgang, saisonal zur Ansprache von Ereignissen zu einer bestimmten Jahreszeit verwendet.

• College: Free University of Berlin (Geowissenschaften)
• Grade: 1,0
• Author: Andreas Steiner (Author)
• Publication Year: 2003
• Pages: 72
• Catalog Number: V34345
• ISBN (eBook): 9783638345972
• ISBN (Book): 9783638704458
• Language: German
• Tags: Niño, Niña-Klimavariabilität, Pazifik, Vergleich, Prozesse, Atlantik