ENSO (El Niño / Southern Oscillation), czyli oscylacja południowa – to naprzemienne występowanie ciepłych, dodatnich faz El Niño i chłodnych, ujemnych faz La Niña.
Rys.1. Anomalia temperatury powierzchni morza czyli jej odchylenie od średniej wieloletniej. Ilustracja dzięki uprzejmości NASA Earth Observatory.
Pierwszym naukowcem, który zdefiniował oscylację ENSO był brytyjski matematyk i meteorolog sir Gilbert Walker. Było to w latach 20 XX wieku. Również jako pierwszy odkrył oscylację północnoatlantycką oraz komórkę atmosferyczną na Pacyfiku i Oceanie Indyjskim nazwaną od jego nazwiska, odpowiedzialną za powstawanie monsunów w Indiach 1.
Walker zauważył również, gdy ciśnienie na Oceanie Spokojnym jest wysokie, zwykle jest niskie na Oceanie Indyjskim od Afryki po Australię; warunki te są związane z niskimi temperaturami na obu tych obszarach.
—-
Natomiast norweski meteorolog Jacob Bjerknes, jako pierwszy zauważył, że atmosfera równikowa jest mocno z nią sprzężona, i to, że maksymalne temperatury morza we wschodnim i środkowym równikowym Pacyfiku powstają w wyniku anomalnego osłabienia pasatów na półkuli południowej z jednoczesnym osłabieniem upwellingu równikowego u wybrzeży zachodnich Ameryki Południowej 2.
Bjerknes jako pierwszy też odkrył przeciwieństwo ciepłego El Niño, którym jest chłodna La Niña.
2011 rok z najsilniejszą La Niña był chłodniejszy od rekordowo ciepłego w XX wieku 1998 roku z drugim największym w historii pomiarów El Niño, to wtedy rekordowo ciepłe były głębiny oceanów. Podczas La Nina bardzo silnie wieją na tropikalnym Pacyfiku pasaty w kierunku od wybrzeży Ameryki Południowej ku Australii i Indonezji eksportując masy nagrzanego powietrza do oceanu i dalej w głębiny. Wzmaga się wtedy silnie upwelling, czyli wypływ z głębin ku powierzchni oceanu chłodniejszych wód dzięki czemu parowanie z niego do atmosfery jest słabsze i atmosfera na jakiś czas w skali planetarnej ochładza się.
Rys.2. El Niño (po lewej) i La Niña (po prawej). Górny panel: Efekty: grudzień – luty. Dolny panel: Efekty: czerwiec – sierpień sierpień (zdjęcie z serwisu Oceans and Climate).
Wprawdzie najsilniejsze w historii pomiarów El Niño było w latach 1982/1983, ale wtedy był jeszcze mniejszy przyrost temperatury globalnej niż we wspomnianych latach 1997/1998 czy też w latach 2015/2016. W tym ostatnim przypadku było ono jednym z najdłuższych najsilniejszych, odkąd je się mierzy.
—-
El Niño
Agus Santoso z ARC Centrum Badań Zmian Klimatu na Uniwersytecie Nowej Południowej Walii w Sydney, Michael McPhaden z Laboratorium Środowiska Morskiego Pacyfiku oraz Wenju Cai z Centrum Badań Oceanów Półkuli Południowej i CSIRO w dziale Oceany i Atmosfera, w pracy swojej stwierdzają, że chociaż El Niño 2015/2016 było najsilniejsze w XXI wieku, to i tak w historii badań było ono dopiero trzecie, po 1982/1983 i 1997/1998 Wystąpiło ono już w znacznie bardziej ocieplonym świecie zaznaczonym wieloma ekstremalnymi zjawiskami pogodowymi na miarę katastrof ekologicznych 3.
Autorzy w swojej pracy napisali:
Chociaż El Niño 2015/2016 różni się w charakterystyczny sposób od wydarzeń z lat 1982/1983 i 1997/1998, nadal można je uznać za pierwsze ekstremalne El Niño XXI wieku. Jego skrajność można przypisać po części niezwykle ciepłym warunkom w 2014 r. i długotrwałemu ociepleniu tła. W efekcie badanie to dostarcza listę fizycznie znaczących wskaźników, które można łatwo obliczyć w celu identyfikacji i śledzenia ekstremalnych zdarzeń ENSO w obserwacjach i modelach klimatycznych.
Jak czytamy w powyższym artykule, 2014 rok był rokiem bez El Niño, ale już najcieplejszym wówczas w historii pomiarów. Wzmocnienie El Niño tylko jeszcze bardziej zwiększyło ocieplenie Ziemi w dalszych latach 2015 i nadal rekordowym 2016.
Niniejszy artykuł przeglądowy omawia obecny pogląd na ENSO i jego skrajności w świetle charakterystyki El Niño 2015/2016, poprzez analizę różnych obserwowanych zmiennych, które charakteryzują procesy ENSO.
Naukowcy ocenili ekstremalne wydarzenia El Niño i La Niña, a następnie sporządzili listę fizycznych indeksów, najbardziej ekstremalnych cech ENSO, w celu ich obliczenia.
Rys.3. Klimatologia sezonowa tropikalnego Pacyfiku, pokazująca temperaturę powierzchni morza SST (Sea Surface Temeperature) (zacienienie kolorów), opady (kontury) i prędkości wiatru powierzchniowego (wektory) dla (a) wiosny borealnej (średnia z marca-maja; MAM), (b) lata (średnia z czerwca-sierpnia) , JJA), (c) jesień (średnia wrzesień-listopad, SON) oraz (d) zima (średnia grudzień-luty, DJF). Dane są oparte na ERSSTv5, opadach CMAP i wiatrach NCEP w latach 1979-2017 (Agus Santoso i inni, 2017).
Takie wskaźniki mogą być przydatne nie tylko dla społeczności naukowej i agencji prognozowania klimatu, ale także dla branż, takich jak ubezpieczenia (np. Khalil i in., 2007 ) i rolnictwo (np. Fraisse i in., 2008 ; Iizumi i in. , 2014), które rozważały już wdrożenie niektórych wskaźników w celu opracowania strategii zarządzania ryzykiem.
Autorzy pracy napisali:
Tropikalny Pacyfik zawiera podstawowe elementy geograficzne i fizyczne, które generują i wspierają istnienie ENSO, z których wszystkie ewoluowały w historii Ziemi (np. Lyle i in., 2008 ). W świecie bez mas lądowych nie byłoby cyklu ENSO, ponieważ nie ma południkowych granic, które mogą wspierać taki strefowy tryb zmienności (Marshall i in., 2007 ).
Zasadniczo ENSO istnieje dzięki temu, że na tropikalnym Pacyfiku występują pasaty wiejące w kierunku równikowym, które pod wpływem siły Coriolisa skręcają na zachód, akumulując ogromne ilości wody o temperaturze powyżej 28°C w kierunku kontynentu morskiego [rys.155.] (Yan i in., 1992), określany jako ciepły basen zachodniego Pacyfiku (WPWP – western Pacific warm pool). Ciepły basen napędza energiczną konwekcję wilgotnego powietrza, tworząc wznoszącą się gałąź cyrkulacji Walkera. Ten wielkoskalowy ruch masy powietrza opada nad suchym wschodnim równikowym Pacyfikiem, naznaczonym przez język chłodniejszych wód wznoszących się w górę, które rozciągają się na północny zachód od wybrzeży Ameryki Południowej z powodu pasatów.
Międzytropikalna strefa konwergencji (ITCZ – Intertropical Convergence Zone), pasmo opadów konwekcji atmosferycznej, znajduje się na północ od tego „zimnego języka”, rozciągając się na zachód w kierunku WPWP (Schneider et al., 2014 ). Inną ważną strefą konwekcyjną jest strefa konwergencji południowego Pacyfiku (SPCZ – Southern Pacific Convergence Zone), pasmo deszczu rozciągające się na południowy wschód od ciepłego basenu w kierunku Polinezji Francuskiej (Kiladis et al., 1989). W związku z tym układem klimatologicznym ciśnienie atmosferyczne na poziomie morza jest niższe w zachodnim tropikalnym Pacyfiku niż we wschodnim tropikalnym Pacyfiku.
Ogólnie, naukowcy w badaniach wykonali pomiary anomalii temperatur powierzchni morza, opadów deszczu, zawartości ciepła w górnym oceanie oraz ewolucji wiatrów strefowych.
—-
W coraz cieplejszym świecie ekstremalne zdarzenia El Niño będą coraz częstsze. Na ten temat już w ubiegłej dekadzie wypowiedzieli się naukowcy.
Praca zespołowa z 2014 roku, której głównym autorem jest Wenju Cai z Organizacji Badań Naukowych i Przemysłowych Wspólnoty Narodów (CSIRO – Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation), Instytutu Badań Morskich i Atmosferycznych w Aspendale, w stanie Wiktoria w Australii, mówi o tym, że takie ekstremalne zdarzenia El Niño, jak w latach 1997/98 i 1982/83 ulegną wręcz podwojeniu w przyszłym coraz cieplejszym świecie z temperaturą 1,5 stopnia Celsjusza powyżej okresu bazowego 1850-1900 4.
Są to typowe zmienności klimatu, które już oddziałują na wymuszenia antropogenicznych gazów cieplarnianych. Charakteryzują się one wyraźnym rozszerzeniem na wschód ciepłego basenu zachodniego Pacyfiku i rozwojem konwekcji atmosferycznej. Dlatego też występuje ogromny wzrost opadów na zazwyczaj zimnym i suchym równikowym wschodnim Pacyfiku.
Tak ogromna przebudowa planetarnej konwekcji atmosferycznej, w postaci ekstremalnego El Niño, powoduje bardzo poważnie zakłócone globalne wzorce pogodowe, które oddziałują ujemnie zarówno na ekosystemy, jak i na naszą gospodarkę. Np. rolnictwo, rybołówstwo. Te ekstremalne oscylacje oceaniczne również powodują nasilenie się cyklonów tropikalnych, susz, pożarów buszu, powodzi i innych ekstremalnych zjawisk pogodowych na całym świecie.
Wenju Cai w serwisie Carbon Brief powiedział 5:
Te ruchy powodują masową reorganizację cyrkulacji atmosfery, prowadząc do ekstremalnych warunków klimatycznych i pogodowych na całym świecie. Na przykład powodzie w Ekwadorze, Peru i południowo-zachodniej Ameryce, ale susze w Indonezji i innych krajach zachodniego Pacyfiku.
—-
Guojian Wang i Wenju Cai z Organizacji Badań Naukowych i Przemysłowych Wspólnoty Narodów (CSIRO – Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation) przedstawili wykres na poniższym rysunku, który pokazuje globalny wzrost temperatury (czarna linia; oś po lewej) oraz częstotliwość ekstremalnych zdarzeń El Niño (linia fioletowa; oś po prawej stronie) 6.
Rys.4. Wykresy pokazują liczbę ekstremalnych El Niños na 100 lat (linia fioletowa, oś po prawej stronie) wykreślone w stosunku do średniej globalnej temperatury (linia czarna, oś po lewej stronie, w stosunku do linii bazowej sprzed epoki przemysłowej z lat 1869-1899). Wykresy przedstawiają prognozy do końca XXI wieku (po lewej), a następnie do połowy 23 wieku (po prawej). Obszar zacieniony na zielono wskazuje średnią z 31 lat, ześrodkowaną na ociepleniu o 1,5°C; fioletowy zacieniony obszar wskazuje średnią 2050-2150. Źródło: (Guojian Wang i inni, 2017).
Do czasu, gdy ocieplenie nie osiągnie 1,5°C powyżej poziomu sprzed epoki przemysłowej (patrz zielony zacieniony pasek), ekstremalne El Niños będą występować mniej więcej raz na 10 lat. Jest to i tak wzrost o 130 % w stosunku do częstotliwości sprzed epoki przemysłowej.
Naukowcy, na podstawie symulacji 13 modeli w okresie 1869-2100, przedstawili dowody modelowania klimatu podwojenia liczby zdarzeń ekstremalnych El Niños w przyszłości w odpowiedzi na coraz bardziej postępujące ocieplenie atmosfery i oceanów. Oszacowali zmianę, agregując wyniki z modeli klimatycznych, zarówno w fazie 3 (CMIP3 – IV Raport Oceny IPCC 2007), jak i 5 (CMIP5 – V Raport Oceny IPCC), z wielomodelowych baz danych oraz zespołu zaburzonej fizyki.
Zwiększona częstotliwość wynika z przewidywanego ocieplenia powierzchni nad wschodnim równikowym Pacyfikiem, które zachodzi szybciej niż w sąsiednich otaczających wodach oceanicznych, a to sprzyja rozwojowi większej liczby wystąpień konwekcji atmosferycznej we wschodnim regionie równikowym.
—-
Autorzy w zespole francusko-amerykańskim, Janeet Sanabria i David Labat z wydziału Geonauk Środowiska na Uniwersytecie w Tuluzie oraz Carlos M. Carillo z wydziału Nauk o Ziemi i Atmosferze na Uniwersytecie im. Cornella w Nowym Jorku, w swojej pracy zamieścili następującą wypowiedź 7:
Korzystając z pionowo zintegrowanej pary wodnej i jej konwergencji, związanej z regionalną cyrkulacją atmosferyczną na dużą skalę, odkryliśmy dwa wzorce opadów na wschodnim Pacyfiku (EP – Eastern Pacific) i w tropikalnych Andach – ze szczególnym uwzględnieniem Ekwadoru i północnego Peru – podczas trzech niedawnych zdarzeń El Niño: 1983, 1998 i 2016.
Chociaż te trzy zdarzenia były najsilniejszymi El Niños, różne źródła wilgoci przyczyniły się do różnych wzorców opadów między El Niños w latach: 1983, 1998 a 2016. W regionie rozkład przestrzenny opadów podczas El Niño z 2016 roku przedstawia bezprecedensową reakcję atmosferyczną poza fazą, spójną i zweryfikowaną z transportem pary wodnej w porównaniu z El Niños z lat 1983 i 1998. Podczas El Niño z 2016 roku opady w Andach zostały wzmocnione przez wilgotne powietrze transportowane z Amazonii – z odwrotnym reżimem w porównaniu z jego osiadaniem, które dominowało w latach 1983 i 1998. Podczas El Niños w latach 1983 i 1998, źródło wilgoci zasilającej Wschodni Pacyfik zostało wzmocnione przez dywergencję wyższego poziomu ciśnienia (300 hPa), które wspomogło napływ wilgoci do średnich poziomów na wschodnim Pacyfiku. W El Niño 2016 ten rozbieżny przepływ górnego poziomu wilgoci migrował na północ. Badanie to ilustruje związek między cyrkulacją na wyższym poziomie na dużą skalę a regionalnymi mechanizmami niskiego poziomu transportu wilgoci w określaniu różnych wzorców opadów podczas wydarzeń El Niño.
Gdy mamy rok z bardzo silnym El Niño, przynosi ono z sobą ekstremalne opady deszczu na naturalnie suchych wybrzeżach Ameryki Południowej w Peru i w Ekwadorze oraz niebezpieczne lawiny błotne w Andach. Również następuje wtedy znaczne osłabienie upwelllingu powodujące drastyczny spadek w rybołówstwie oraz także zakłócenia w rytmach biologicznych gatunków morskich i nadmorskich.
Rys.5. Kompozyty od stycznia do kwietnia (JFMA – January, February, March, April) anomalii temperatury powierzchni morza (° C) nad tropikalnym Pacyfikiem podczas trzech silnych zdarzeń El Niños ( a ) 1982/1983, ( b ) 1997/1998 i ( c ) 2015/2016 . Te anomalie pochodzą ze zbioru danych Met Office HadISST z lat 1950–2016 (Janeet Sanabria i inni, 2019).
—-
Z kolei Hege-Beate Fredriksen z Wydziału Fizyki i Technologii na Arktycznym Uniwersytecie Norwegii w Tromsø UiT) i jej współpracownicy opisali badania wpływu ocieplenia klimatu na region Niño 3.4, w których wykorzystali najnowszej generacji zestaw modeli CMIP6. Modele te mają już zastosowanie w pracach naukowych wykorzystanych w obecnym VI Raporcie IPCC 8.
Naukowcy zasugerowali, że w wielu pracach zbadano reakcję ENSO na globalne ocieplenie w poprzednich generacjach modeli klimatycznych, ale nie ma jasnego konsensusu co do tego, jak ENSO zmieni się w warunkach globalnego ocieplenia.
Poprzednie analizy z modeli CMIP5 wykazywały zmiany w cyrkulacji oceanicznej Walkera oraz w samej temperaturze powierzchni morza (SST), ale jednak nie miało to przełożenia na zmiany amplitudy ENSO mierzonej poszczególnymi wskaźnikami – w tym Niño 3.4 – będącymi średnimi anomalii SST w stałych lokalizacjach.
Naukowcy stwierdzili, że nastąpił wzrost amplitudy ENSO pod wpływem, zarówno zwiększonej średniej temperatury globalnej Ziemi, jak i pod względem stratyfikacji oceanów, w których w powierzchniowej warstwie występuje często najcieplejsza woda. Dlatego też przyjrzeli się w swoim badaniu związkowi pomiędzy zmianami amplitudy ENSO a zmianami średniego gradientu strefowego temperatury powierzchni morza (SST).
ENSO to jest przede wszystkim tropikalny proces sprzężony z oceanem i atmosferą, który ma globalny wpływ poprzez telekoneksyjne połączenia atmosferyczne i oceaniczne.
Dużą rolę odgrywają zmiany telekoneksji atmosferycznych i oceanicznych oddziałujących na ENSO.
Naukowcy w swojej pracy napisali:
Diagnostyka telekoneksji zastosowana w tym badaniu jest zgodna z diagnostyką Stevensona i in. ( 2012). Kompozyty El Niño i La Niña dla średniego zestawu CMIP6 są obliczane dla anomalii ciśnienia na poziomie morza (SLP – Sea Level Pressure).
Zmiany w telekoneksjach są następnie oceniane przez porównanie dla scenariusza wysokich emisji SSP5-8.5. Zmiany w przyszłym klimacie w całym zestawie modeli CMIP6 pokazane są czarnymi konturami na rysunku 158 poniżej.
Naukowcy zaobserwowali wyraźne zmiany w rejonie wysp aleuckich na półkuli północnej i w rejonie Oceanu Południowego. Co ciekawe, telekoneksje atmosferyczne wykazują słabszy sygnał w scenariuszu SSP5-8.5 w porównaniu z symulacjami modelu piControl. Zostało to zbadane w poprzednich wersjach podobnych modeli klimatycznych i częściowo zostało to przypisane wzrostowi statycznej stabilności atmosfery w cieplejszym klimacie (Ma et al., 2012 ; Stevenson et al., 2012).
Rys.6. Wzór telekoneksji ENSO dla zimowych miesięcy: grudzień, styczeń, luty (DJF – December, January, February) pokazany jako średnie anomalie ciśnienia nad poziomem morza (SLP – Sea Level Pressure) w modelach piControl (kolory) dla (a) El Niño i (b) La Niña oraz odpowiadające im zmiany średnich anomalii SLP dla przyszłego scenariusza wysokich emisji SSP5-8.5 (czarne kontury). (c) El Niño i (d) La Niña – ich rozrzut anomalii SLP w modelu piControl (kolory) i zmiana dla przyszłego scenariusza SSP5-8.5 (czarne kontury), mierzone przez odchylenie standardowe (SD – Standard Deviaton).(Hege Beate Fredriksen i inni, 2020).
Pasaty podczas El Niño na środkowym tropikalnym Pacyfiku słabną coraz częściej w tak zwanym regionie Niño 3.4 i zawracają, zakłócając upwelling u wybrzeży zachodnich Ameryki Południowej. Nagrzana wówczas powierzchnia Pacyfiku mocno paruje ocieplając silnie atmosferę i podnosząc znacząco jej globalną temperaturę.
Rys.7. Regiony Niño: Niño 1+2, Niño 3, Niño 4 i Niño 3.4 (NCDC/NOAA.GOV)
——
La Niña
La Niña z kolei jest wzmocnieniem neutralnej fazy i często przynosi z sobą znacznie silniejsze pasaty wiejące ze wschodniego Pacyfiku na zachodni oraz nadmierne opady deszczu i powodzie w Australii i w archipelagu indonezyjskim, przynosząc z sobą również straty ekonomiczne, zarówno w ekosystemach, jak i w infrastrukturze miast i wsi.
Wenju Cai za pomocą symulacji modelu CMIP5 oszacował, że nastąpił przyrost ekstremalnych zdarzeń La Niña z jednego na 23 lata do jednego na 13 lat. A dzieje się tak dlatego, ponieważ przewidywane jest szybsze średnie ocieplenie kontynentu morskiego niż środkowego Pacyfiku. Następnie przewidywane są zwiększone pionowe gradienty temperatury w górnej części oceanu i zwiększona częstotliwość ekstremalnych zjawisk El Niño sprzyjają rozwojowi ekstremalnych zdarzeń La Niña 9.
Naukowcy piszą, że w latach 1998–1999 ekstremalne wydarzenie La Niña, które nastąpiło po ekstremalnym El Niño w latach 1997–1998, wpłynęło na zamianę ekstremalnych susz wywołanych przez El Niño w niszczycielskie powodzie w krajach zachodniego Pacyfiku i w południowo-zachodnich Stanach Zjednoczonych. Co też miało taki wpływ, że podczas ekstremalnych wydarzeń La Niña na środkowym Pacyfiku zaczęły rozwijać się zimne warunki powierzchniowe, dzięki którym zaczął powstawać zwiększony gradient temperatury od strony kontynentu morskiego w kierunku środkowego Pacyfiku.
Rys.8. Różnica temperatur powierzchni morza (SST) między słabym (górnym) a ekstremalnym (dolnym) zdarzeniem La Niña. (Wenju Cai i inni, 2015).
Na podstawie modeli CMIP5, naukowcy przedstawili dowody podczas modelowania klimatu i ekstrapolacji w przyszłość, że zwiększona częstotliwość takich ekstremalnych wydarzeń La Niña będzie miała miejsce w coraz cieplejszym świecie.
W sumie jednak przyszłość oscylacji La Niña jest jednak trudna do dokładniejszej analizy. Nie można też tego wykluczyć, że będą nasilone. Tego do końca tak dokładnie jeszcze nie wiemy.
Referencje:
- Walker G. et al., 1926 ; Correlation in seasonal variations of weather, IX. A further study of world weather ; Monthly Weather Review, Volume 53: Issue 6 ; https://journals.ametsoc.org/view/journals/mwre/53/6/1520-0493_1925_53_252_cisvow_2_0_co_2.xml
- Bjerknes J., 1969 ; Atmospheric teleconnections from the equatorial Pacific ; Monthly Weather Review, Volume 97: Issue 3 ; https://journals.ametsoc.org/view/journals/mwre/97/3/1520-0493_1969_097_0163_atftep_2_3_co_2.xml
- Santoso A. et al., 2017 ; The Defining Characteristics of ENSO Extremes and the Strong 2015/2016 El Niño ; Reviews of Geophysics ; https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2017RG000560
- Cai W. et al., 2014 ; Increasing frequency of extreme El Niño events due to greenhouse Warming ; Nature Climate Change ; https://www.nature.com/articles/nclimate2100
- McSweeney R., 2017 ; „‘Extreme’ El Niños to double in frequency under 1.5C of warming, study says” ; Carbon Brief ; https://www.carbonbrief.org/extreme-el-ninos-double-frequency-under-one-point-five-celsius-warming-study
- Wang G. et al., 2017 ; Continued increase of extreme El Niño frequency long after 1.5 °C warming stabilization ; Nature Climate Change ; https://www.researchgate.net/publication/318667786_Continued_increase_of_extreme_El_Nino_frequency_long_after_15_C_warming_stabilization
- Sanabria J. et al., 2019 ; Unprecedented Rainfall and Moisture Patterns during El Niño 2016 in the Eastern Pacific and Tropical Andes: Northern Perú and Ecuador ; Atmosphere ; https://www.researchgate.net/publication/337736082_Unprecedented_Rainfall_and_Moisture_Patterns_during_El_Nino_2016_in_the_Eastern_Pacific_and_Tropical_Andes_Northern_Peru_and_Ecuador
- Fredriksen H. B. et al., 2020 ; How Does El Niño–Southern Oscillation Change Under Global Warming—A First Look at CMIP6 ; Geophysical Research Letters ; https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2020GL090640
- Cai W. et al., 2015 ; Increased frequency of extreme La Niña events under greenhouse Warming ; Nature Climate Change ; https://www.researchgate.net/publication/273287307_Increased_frequency_of_extreme_La_Nina_events_under_greenhouse_warming