Untersuchung in Nature Communications
Das arktische Meereis hat erheblich abgenommen und wird bald voraussichtlich saisonal völlig verschwinden. Es ist wenig darüber bekannt, ob das schwindende arktische Meereis in der Lage ist, das Auftreten von starkem El Niño zu beeinflussen, einer wichtigen Form der Klimavariabilität mit globalen Auswirkungen. Auf der Grundlage von Experimenten mit gekoppelten Zeitscheibenmodellen zeigen Autoren aus China und den USA in einem Artikel in Nature Communications, dass, wenn der Eisverlust weiter anhält und die Arktis zeitweise eisfrei wird, die Häufigkeit starker El-Niño-Ereignisse um mehr als ein Drittel ansteigt.
Nehmen radikal ab: Eisberge auf Grönland – Foto © Gerhard Hofmann, Agentur Zukunft, für Solarify
Dies wird durch gradientenbasierte Indizes definiert, die die durch die saisonal eisfreie Arktis verursachte mittlere Erwärmung des tropischen Pazifiks herausrechnen. Durch den Vergleich von Zeitscheibenexperimenten mit Experimenten zur Erwärmung des Treibhauses kommen wir zu dem Schluss, dass mindestens 37-48 % der Zunahme starker El Niño-Ereignisse gegen Ende des 21. Jahrhunderts speziell mit dem Verlust des arktischen Meereises zusammenhängen. Eine weitere Trennung der Experimente mit dem arktischen Meereisverlust und dem Treibhausgasantrieb deutet darauf hin, dass die saisonal eisfreie Arktis eine Schlüsselrolle bei der Häufung starker El Niño-Ereignisse spielen könnte.
Die arktische Meereisbedeckung hat seit den frühen 1950er Jahren in allen Monaten abgenommen, im Sommer sogar um fast die Hälfte. Dies verändert den Wärme- und Feuchtigkeitsaustausch zwischen dem Ozean und der Atmosphäre und trägt zur Verstärkung des arktischen Klimas bei. Die meisten aktuellen Klimamodelle prognostizieren eine saisonal eisfreie Arktis vor der Mitte des Jahrhunderts unter Szenarien mit zukünftigen kumulativen Emissionen von ~270 Gt C über die Emissionen bis 2019 hinaus. Eine kürzlich durchgeführte Modellierung ergab einen vollständigen Verlust des sommerlichen arktischen Meereises unter Bedingungen, die der letzten Zwischeneiszeit entsprechen. Der rasche Rückgang des arktischen Meereises ist ein wesentlicher Bestandteil der Reaktion der Arktis auf natürliche Schwankungen und Treibhausgaseinflüsse.
Zahlreiche Beobachtungen und Modellsimulationen haben gezeigt, dass die arktische Meereisvariabilität stark von der El-Niño-Südlichen Oszillation (ENSO) beeinflusst wird, und zwar über Telekonnektionen, d. h. den Rossby-Wellenzug, der durch tropische Konvektion ausgelöst wird, die Verschiebung von Jetstreams als Reaktion auf tropische Anomalien der Meeresoberflächentemperatur (SST), Änderungen der meridionalen und zonalen Zirkulationen und damit verbundene Wärmetransporte sowie anomale transiente Wirbelaktivitäten. Es ist jedoch unklar, inwieweit der arktische Meereisverlust die El-Niño-Eigenschaften beeinflussen kann und ob ein solcher Einfluss vom Ausmaß und Muster des arktischen Meereisverlustes abhängt, obwohl einige neuere Untersuchungen darauf hindeuten, dass die Auswirkungen des abnehmenden arktischen Meereises bis tief in die Tropen reichen könnten.
Unser Verständnis für die Auswirkungen des abnehmenden arktischen Meereises auf Klima und Wetter wurde in der Vergangenheit größtenteils dadurch gewonnen, dass eigenständige atmosphärische Modelle mit einer vorgeschriebenen Änderung der Meereisbedeckung und der damit verbundenen Änderung der Meeresoberflächentemperatur beaufschlagt wurden. Diese Art von Modellexperimenten vernachlässigt potenzielle Rückkopplungen, die sich aus den Wechselwirkungen zwischen der Ozeandynamik und der Atmosphäre ergeben, die durch die Meereisveränderung in der Arktis verursacht werden. In jüngster Zeit wurden gekoppelte Klimamodelle verwendet, um die Auswirkungen des arktischen Meereisverlustes zu untersuchen, wobei die Eisbedeckung indirekt verändert wird, indem der arktischen Energiebilanz ein „Geisterfluss“ aufgezwungen wird (z. B. durch die Vorgabe eines künstlich saisonal variierenden langwelligen Abwärtsstrahlungsflusses).
Ein solcher indirekter Ansatz beruht auf der Annahme, dass die Veränderung der arktischen Meereisbedeckung in einem annähernd linearen Verhältnis zum zusätzlichen langwelligen Abwärtsstrahlungsfluss steht, der insbesondere im Sommer eindeutig unzureichend ist. Dies macht es schwierig, die Rolle des arktischen Meereisverlustes in einem gekoppelten Modellrahmen zu isolieren und direkt zu bewerten. Kurz gesagt, unsere Referenzsimulation (im Folgenden ICEhist) wird durch die Klimatologie des arktischen Meereises während des Zeitraums 1980-1999 eingeschränkt, als Darstellung des beobachteten Meereiszustandes im späten… Zwei Sensitivitätssimulationen sind ansonsten identisch, außer dass sie durch die Klimatologie des arktischen Meereises in den Jahren 2020-2039 (nachfolgend ICEp1) und 2080-2099 (saisonal eisfrei, nachfolgend ICEp2) auf der Grundlage des großen Ensembles der RCP8.5-Projektionen für „hohe Emissionen“ beeinflusst werden. Im Einklang mit dem raschen Verlust des Meereises in jüngster Zeit liegt die saisonale Entwicklung der Eisausdehnung in ICEp1 nahe an den Beobachtungen, die im Zeitraum 2007-2020 gemittelt wurden und die die niedrigsten Aufzeichnungen in der Satellitenära darstellen. Vergleiche zwischen diesen Experimenten spiegeln die Reaktion wider, die allein durch den projizierten Umfang des arktischen Meereisverlustes hervorgerufen wird, und nicht durch andere Faktoren wie die Änderung des Strahlungsantriebs. Hier konzentrieren sich die Autoren auf die Hauptsaison von El Niño (Dezember-Januar-Februar).
Sowohl der arktische Meereisverlust als auch der Treibhausgasantrieb spielen eine Rolle bei der Beeinflussung der ENSO-Variabilität, und das RCP85p2-Experiment (Repräsentative Konzentrationspfade (Representative Concentration Pathways, RCPs)) umfasst beide Antriebe sowie weitere Rückkopplungen. Um die Rolle des arktischen Meereisverlustes und des Treibhausgasantriebs weiter zu trennen, führen wir ein weiteres numerisches Experiment mit CESM1.2 durch. In diesem Experiment legen wir die arktische Meereisbedeckung auf der Grundlage der historischen Simulationen für den Zeitraum 1980-1999 fest, lassen aber einen jährlichen Anstieg des atmosphärischen CO2 um 1 % für 100 Jahre zu, beginnend mit dem Niveau des Jahres 2000, so dass die ENSO-Variabilität nur durch den erhöhten atmosphärischen CO2-Antrieb beeinflusst wird. Der ONI-Index im ICE1%CO2 führt erwartungsgemäß zu einer starken Zunahme des Auftretens von extrem starken El Niños, was wiederum auf die direkte Abhängigkeit des ONI-Index von der starken mittleren Erwärmung des tropischen Pazifiks zurückzuführen ist, die mit der starken globalen Erwärmung durch den Anstieg des atmosphärischen CO2 einhergeht. Die zonalen und meridionalen SST-Gradienten deuten dagegen darauf hin, dass der erhöhte Treibhausgas-Antrieb nur eine moderate Zunahme starker El-Nino-Ereignisse bewirkt, die statistisch nicht signifikant ist. Wichtig ist, dass die Kombination von ICEp2 (nur arktischer Meereisverlust) und ICE1%CO2 (nur erhöhter atmosphärischer CO2-Antrieb) mehr als zwei Drittel der Häufigkeitsänderung des starken El Niño im RCP85p2 erklären kann. Dies deutet darauf hin, dass die saisonal eisfreie Arktis eine entscheidende Rolle bei der Häufung starker El Niño-Ereignisse spielt.
Es wird zunehmend erkannt, dass zwei Arten von El Niño – mit größeren SST-Anomalien über dem Ostpazifik (EP) bzw. dem Zentralpazifik (CP) – unterschiedliche globale Auswirkungen haben. Es wird vermutet, dass der CP-El Niño mit außertropischen atmosphärischen Kräften36 zusammenhängt, möglicherweise durch das PMM. Wir untersuchen auch, ob der arktische Meereisverlust das Auftreten von EP- und CP-El Niños unterschiedlich beeinflusst. Im Vergleich zu ICEhist ändert sich das Auftreten von starken EP-El Niños in ICEp1 nicht signifikant, obwohl die starken CP-El Niños häufiger werden (Tabelle 1). Die saisonal eisfreien Bedingungen in ICEp2 führen zu einer erheblichen Zunahme der Häufigkeit sowohl von starken EP- als auch CP-El Niños, insbesondere zu einer Zunahme der starken CP-El Niño-Ereignisse um den Faktor 2 (Tabelle 1). Darüber hinaus erhöht ICEp2 die Koexistenz beider El-Niño-Typen (des so genannten gemischten Typs) dramatisch um den Faktor 6. Obwohl wir betont haben, wie stark die mittlere tropische Erwärmung die Häufigkeit der ortsabhängigen ENSO-Indizes beeinflussen kann, sind diese Vergleiche der ortsabhängigen Indizes dennoch lehrreich, da mit jedem Typ unterschiedliche Telekonnektionen verbunden sind.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass eine saisonal eisfreie Arktis deutliche Veränderungen im tropischen Pazifik mit einem El-Niño-ähnlichen Erwärmungsmuster hervorruft. Starke El-Niño-Ereignisse werden häufiger, vermutlich mit weiterhin verheerenden Auswirkungen auf der ganzen Welt37. Die saisonal eisfreie Arktis führt auch zu Veränderungen in der ENSO-Vielfalt, zugunsten von CP-El-Niño-Ereignissen und ENSO-Ereignissen gemischten Typs mit SST-Anomalien, die sowohl CP- als auch EP-Regionen umfassen. Ereignisse gemischten Typs sind ein Beispiel für ein problematisches zusammengesetztes Extremereignis, eine Klasse von Extremereignissen, die unter Wissenschaftlern und Entscheidungsträgern zunehmend an Aufmerksamkeit gewinnen, zum Teil aufgrund ihres Potenzials für neuartiges Verhalten und gesellschaftliche Auswirkungen.
Sollten gemischte Ereignisse häufiger und extremer werden, könnten sie zu großen, bisher kaum verstandenen Telekonnektionen und Auswirkungen führen. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass Veränderungen bei starken El-Niño-Ereignissen vom Ausmaß und Muster des arktischen Meereisverlustes abhängen können. Obwohl die hier vorgestellten Ergebnisse von zwei verschiedenen gekoppelten Modellen (CESM1.2 und CCSM4) gestützt werden, sind koordinierte Experimente, einschließlich solcher, die verschiedene gekoppelte Klimamodelle, verschiedene Meereisbeschränkungen und verschiedene Modellkonfigurationen verwenden, erforderlich, um die Beziehungen zwischen El Niño, arktischem Meereisverlust und anderen Aspekten des Klimawandels weiter zu quantifizieren. Es muss auch erforscht werden, inwieweit Veränderungen des Klimas in den mittleren Breiten, einschließlich der Variabilität und der Extreme, mit Veränderungen von ENSO zusammenhängen könnten, die ihrerseits teilweise durch den arktischen Meereisverlust bedingt sind. Es wird jedoch immer deutlicher, dass die Klimamodelle den Rückgang des arktischen Meereises realistisch simulieren müssen, um die ENSO-Variabilität korrekt zu simulieren.
->Quelle: Jiping Liu, Mirong Song, Zhu Zhu, Radley M. Horton, Yongyun Hu and Shang-Ping Xie: Arctic sea-ice loss is projected to lead to more frequent strong El Niño events, in: Nature Communications volume 13, Article number: 4952 (2022), 23.08.2022 – open access