Dynamik interannualer und dekadischer Schwankungen im tropischen und subtropischen Atlantik
M. Latif, Max-Planck-Institut für Meteorologie, Hamburg
Es wurden Arbeiten in acht Themenbereichen durchgeführt:
1.) Die Existenz eines dekadischen “Dipolmodes” im tropischen Atlantik, 2.) Eine El Niño-ähnliche Schwingung im äquatorialen Atlantik,
3.) Die Rolle der Tropen für die Stabilität der THC und
4.) Wechselwirkungen zwischen dem äquatorialen Pazifik und dem tropischen Atlantik und der THC,
5.) Die Gefahren von EOF-Analysen,
6.) Die Rolle der Ozeandynamik für Klimavariabilität,
7.) Die Rolle von äquatorialen atlantischen SST Anomalien für den Niederschlag über Afrika und Südamerika,
8.) Die Rolle der flachen meridionalen Zelle für die interannuale Variabilität.
Im folgenden werden die in den acht Themenbereichen durchgeführten Arbeiten kurz skizziert.
Einige Sonderdrucke, welche die Arbeiten im Detail beschreiben, sind beigefügt.
1.) Die Existenz eines dekadischen “Dipolmodes” im tropischen Atlantik (Dommenget and Latif 2000)
Analysen beobachteter Meeresoberflächentemperaturen im tropischen Atlantik und der Ergeb-nisse von vier gekoppelten Ozean-Atmosphäre Modellen wurden durchgeführt, mit dem Ziel die führenden Moden der Variabilität zu studieren. Es wird gezeigt, dass in allen Datensätzen der Hauptanteil der Variabilität auf interannualen und dekadischen Zeitskalen durch zwei EOF Muster beschrieben werden kann. Diese haben ihre Zentren in den Gebieten maximaler Passate, wobei die Fluktuationen in den beiden Zentren unkorreliert sind. Die Variabilität in beiden Zen-tren ist konsistent mit dem “stochastischen Klimamodell”. Ein “dekadischer Dipol”, wie er von mehreren Autoren vorgeschlagen worden ist, konnte nicht identifiziert werden. Es wird darüber hinaus gezeigt, daß der “dekadische Dipol” ein Artefakt der EOF-Analyse ist und aus der Or-thogonalitätsbedingung resultiert.
2.) Eine El Niño-ähnliche Schwingung im äquatorialen Atlantik (Latif and Grötzner 2000)
Eine interne äquatoriale Atlantische Oszillation konnte identifiziert werden durch die Analyse von Meeresoberflächentemperaturen des äquatorialen Atlantik. Die äquatoriale Atlantische Os-zillation kann als atlantisches Analogon des El Niño/Southern Oscillation (ENSO) Phänomens angesehen werden; allerdings ist sie stark gedämpft. Im Spektrum eines Indexes der Meeres-oberflächentemperatur des äquatorialen Atlantik erkennt man die Periodizität von etwa zwei Jahren, im Vergleich zu der vierjährigen ENSO Periode, was auf die kleinere Beckenbreite des Atlantiks zurückzuführen ist. Die äquatoriale Atlantische Oszillation wird aber durch ENSO be-einflußt, wobei die atlantische SST der pazifischen SST mit einer Zeitverzögerung von etwa 6 Monaten folgt. Diese Verzögerung kann durch die Anpassungszeit des äquatorialen Atlantiks auf niederfrequente Windschubveränderungen und den sich saisonal verändernden Grundzu-stand erklärt werden, welcher maximales Wachstum von Störungen im Sommer erlaubt. Die Analyse der Beobachtungsdaten werden von den Ergebnissen eines gekoppelten Ozean-Atmo-sphäre Modells bestätigt.
3.) Die Rolle der Tropen für die Stabilität der THC (Latif et al. 2000)
Die meisten Klimamodelle simulieren eine Abschwächung der nordatlantischen thermohalinen Zirkulation (THC) bei einem sich weiter verstärkendem Treibhauseffekt. Sowohl die oberflä-chennahe Erwärmung als auch eine verstärkte Frischwasserzufuhr in den höheren Breiten tra-gen zur Abschwächung der THC bei. Einige Modelle simulieren sogar einen kompletten Zusammenbruch der THC unter hinreichend starkem “Forcing”. In dem gekoppelten Modell ECHAM4/OPYC3 kommt es allerding zu keiner Abschwächung der THC in einem CO2 -Sze-narienlauf. Es wird gezeigt, daß die Tropen die THC stabilisieren können. Das Modell simuliert einen starken El Niño-artigen “Response”, was zu einer Abschwächung des Ein-trags in den tropischen Atlantik führt. Die Änderung im tropischen atlantischen Frischwasser-fluß sind so stark, daß die gegenläufige Änderung in den hohen Breiten kompensiert wird. Die Abschwächung des Frischwasserflusses führt zu erhöhten Salzgehalten, die mit der mittleren Zirkulation polwärts transportiert werden, was die THC stabilisiert. Die Studie zeigt, daß tropi-sche Wechselwirkungen wichtig für das globale Klima sind, und daß Prozesse wie El Niño in Klimamodellen nicht einfach vernachlässigt werden dürfen.
4.) Wechselwirkungen zwischen dem äquatorialen Pazifik und dem tropischen Atlantik und der THC (Latif 2001)
Die Analyse der Meeresoberflächentemperaturen der letzten 150 Jahre liefert Anhaltspunkte für die Existenz von Wechselwirkungen zwischen dem tropischen Pazifik und dem Atlantischen Ozean auf Zeitskalen von mehreren Jahrzehnten. Perioden mit anomal hoher Meeresoberflä-chentemperatur im tropischen Pazifik folgt mit einer Zeitverzögerung von einigen Jahrzehnten ein interhemisphärischer atlantischer Dipol in der Meeresoberflächentemperatur. Die Struktur des Dipols ist konsistent mit Veränderungen in der THC. Die beiden Ozeane sind durch die At-mosphäre synchronisiert. Wie oben beschrieben, übernehmen dabei die Veränderungen im Frischwasserfluß die Brückenfunktion. Die Resultate deuten an, daß die pan-ozeanischen Wechselwirkungen auch für die Veränderungen in der Nordatlantischen Oszillation (NAO) wichtig sind. Die Kausalkette kann wie folgt beschrieben werden: Die dekadischen Verände-rungen in der Meeresoberflächentemperatur des tropischen Pazifik verändern den Frischwas-serfluss über dem tropischen Atlantik. Dies führt zu Salzgehaltsanomalien, die polwärts transportiert werden und schließlich die THC verändern. Die damit einhergehenden Anomalien
in der Meeresoberflächentemperatur des Atlantik beeinflussen die NAO. Basierend auf diesem Szenarium kann ein NAO-Vorhersageschema entwickelt werden, welches ausschließlich die tropische pazifische SST als Prediktor benutzt.
5.) Die Gefahren von EOF Analysen (Dommenget and Latif 2001)
Es wurde in der Literatur wiederholt die Existenz sogenannter Dipol-Moden postuliert, z. B. im tropischen Atlantik und im tropischen Indischen Ozean. Die Arbeiten stützen sich i. a. auf Er-gebnisse von EOF-Analysen. Dies kann aber hin und wieder irreführend sein, wie wir in unserer Arbeit zeigen. EOF-Analysen sind in erster Linie zur Reduzierung der Freiheitsgrade in hoch-dimensionalen Datensätzen entwickelt worden und nicht zur Identifizierung von physikalischen Moden. In der Tat sind die statistischen Moden eines Systems nicht notwendigerweise auch sei-ne physikalischen Moden. Dies zeigen wir anhand eisei-nes einfachen Beispiels.
EOF-Analysen haben leider die Tendenz, als 1. Mode ein uniformes Muster zu erzeugen, auch wenn es sich in Wirklichkeit um ein sehr schwaches Muster handelt. So ein Muster könnte z. B.
ein schwaches Treibhaussignal sein. Wegen der Orthogonalitätsbedingung ist dann sehr häufig der 2. Mode ein Dipol. Dieser muß aber notwendigerweise gar nicht existieren und kann ein Ar-tefakt der EOF-Analyse sein. Wir haben sowohl für den tropischen Atlantik als auch für den tro-pischen Indischen Ozean zeigen können, daß die vielzitierten Dipol-Moden aus einer Mißinterpretation der jeweiligen EOF-Analysen stammen. Während die EOF-Analyse der tro-pischen atlantischen Meeresoberflächentemperatur als 1. Mode ein “globales” Muster und als 2. Mode einen Dipol identifizert, zeigen andere statistische Verfahren (rotierte EOFs, Regres-sionsanalyse), daß der Dipol der EOF-2 ein Artefakt ist. Insbesondere existiert keine statistisch signifikante Korrelation zwischen den beiden Zentren des vermeintlichen Dipols. Die Arbeiten unterstützen daher die Resultate von Dommenget und Latif (2000), die anhand von Analysen gekoppelter Simulationen ebenfalls den Schluß ziehen, daß ein Dipol im tropischen Atlantik auf interannualen bis dekadischen Zeitkalen nicht existiert.
6.) Die Rolle der Ozeandynamik für Klimavariabilität
Es wurde immer wieder spekuliert, daß Veränderungen in der Ozeandynamik dekadische Kli-maschwankungen erzeugen. Um den Einfluß der Ozeandynamik auf die Klimavariabilität näher zu studieren, haben wir zwei gekoppelte Simulationen analysiert und miteinander verglichen.
Es handelt sich dabei um Simulationen mit den ECHAM4 (T30, ca. 3.75o x 3.75o) AGCM, das zum einen an ein “mixed layer” Modell (konstante Deckschichttiefe von 50m) und zum anderen an das E-HOPE OGCM (mit Äquatorverfeinerung) gekoppelt wurde. Beide gekoppelten Mo-delle wurden für mehrere hundert Jahre gerechnet. Die relativ langen Integrationszeiten erlau-ben daher den Vergleich nicht nur der simulierten interannualen sondern auch den Vergleich der dekadischen Variabilitäten.
Die Ergebnisse zeigen, daß die Ozeandynamik einen erheblichen Einfluß auf die SST-Variabi-lität besitzt. Obwohl sich dieses Teilprojekt speziell mit dem tropischen Atlantik befaßt, wird zunächst der Einfluß der Ozeandynamik global diskutiert. Die dekadische Variabilität ist insbe-sondere im Nordatlantik und im Südlichen Ozean stark erhöht. Bezogen auf den tropischen At-lantik ist festzuhalten, daß die dekadische Variabilität in der äquatorialen Region deutlich erhöht ist. Dies ist konsistent mit der Arbeit von Latif und Grötzner (2000), die die Existenz ei-ner El Niño-ähnlichen Schwingung im Atlantik beschreiben. Unsere Ergebnisse zeigen aber auch, daß die Einbeziehung der Ozeandynamik die Variabilität im subtropischen Atlantik nicht erhöht, was unsere These stützt, daß ein auf Ozeandynamik basierender dekadischer Dipol nicht existiert.
7.) Die Rolle von äquatorialen atlantischen SST Anomalien für den Niederschlag über Afrika und Südamerika
Unsere Studien haben gezeigt, daß der äquatoriale Atlantik eine Region ist, die ein “Eigenle-ben” besitzt, in dem Sinne, daß die Ozeandynamik signifikant zur Variabilität beiträgt. Es ist daher von Interesse, ob die Fluktuationen in der SST die Atmosphäre beeinflussen. Wir haben daher einige Experimente mit dem ECHAM4.5 AGCM durchgeführt, um den Einfluß äquato-rial- atlantischer SST Anomalien zu untersuchen. Sensitivitätsexperimente, in denen die SST um +1 bzw. -1oC verändert worden ist, zeigen daß die Antwort des Niederschlags im Bereich von Westafrika und dem nördlichen Südamerika statistisch signifikant und im wesentlichen auch linear ist. Es wurden außerdem Experimente mit zeitlich veränderlicher SST durchgeführt, um zu prüfen, ob auch die Zeitentwicklung des Niederschlags in bestimmten Regionen repro-duziert werden kann. Diese sogenannten “AMIP”-Experimente zeigen, daß z. B. der beobach-tete Niederschlag über Guinea sehr gut vom Modell simuliert wird (Korrelation=0.6).
Insgesamt bedeutet dies, daß der äquatoriale Atlantik eine Region ist, die auch im Hinblick auf
die Vorhersagbarkeit von Klimaänderungen interessant ist. Dem “PIRATA array” kommt daher eine besondere Bedeutung zu.
8.) Die Rolle der flachen meridionalen Zelle für die interannuale Variabilität
Wir haben die Rolle der flachen meridionalen Zelle für die interannuale Variabilität im tropi-schen Atlantik untersucht. Dies geschah mit Hilfe von langen (ca. 300 Jahre) Simulationen mit den gekoppelten Modellen ECHAM4/OPYC und ECHAM5/C-HOPE. In beiden Modellen wird ein Einfluß der flachen meridionalen Zelle auf die interannuale Variabilität der Meeres-oberflächentemperatur simuliert. Der Effekt ist allerdings relativ klein und spielt vermutlich bzgl. der Vorhersagbarkeit eine nur untergeordnete Rolle. Ein Vergleich mit der Situation im Pazifik zeigt, daß dort der Einfluß der Meridionalzirkulation deutlich stärker ist.
Veröffentlichungen
Dommenget, D. and M. Latif, 2000: Interannual to Decadal Variability in the Tropical Atlantic.
J. Climate, 13, 777-792.
Dommenget, D. and M. Latif, 2001: A cautionary note on the interpretation of EOFs. J. Climate, 15, 216-225.
Latif, M. and A. Grötzner, 2000: The equatorial Atlantic oscillation and its response to ENSO.
Climate Dynamics, 16, 213-218.
Latif, M., E. Roeckner, U. Mikolajewicz, and R. Voss, 2000: Tropical Stabilisation of the Ther-mohaline Circulation in a Greenhouse Warming Simulation. J. Climate, 13, 1809-1813.
Latif, M., 2001: Tropical Pacific/Atlantic Ocean Interactions at Multi-Decadal Time Scales.
Geophys. Res. Lett., 28, 539-542.
Schlussbericht Schott