Ozeanzyklen

La Ola im Ozean: Die klimazyklische Stadionwelle

Eines der großen Rätsel in den Klimawissenschaften ist, warum sich der IPCC so strikt weigert, die Ozeanzyklen bei den Temperaturprognosen zu berücksichtigen. Während im Hauptteil des letzten Klimaberichts ausführlich auf Zyklen wie etwa die Pazifisch Dekadische Osziallation (PDO) oder die Atlantische Multidekadenoszillation (AMO) eingegangen wird, sollen sie bei den Temperaturprognosen dann plötzlich keine Rolle mehr spielen. Das wäre doch nur alles ein wildes Rauschen und die Entwicklung der Zyklen weitgehend unvorhersagbar. Interessanter Einwand. Machen wir doch einmal die Probe aufs Exempel. Vergleicht man die PDO-Kurve mit der globalen Temperaturentwicklung, so fällt eine erstaunliche gemeinsame Zyklik auf, die etwa 60 Jahre für einen Umlauf benötigt (Abbildung 1). Immer wenn die PDO anstieg, gingen auch die Temperaturen rauf. Und wenn die PDO absackte, wurde es auch wieder kühler bzw. stagnierten die Temperaturen. Der 60-Jahreszyklus ist dabei einem langfristig ansteigenden Temperaturtrend überlagert, der sich durch die Zunahme der Sonnenaktivität und möglicherweise dem CO2 erklärt. Offensichtlich vermag es der Ozeanzyklus, die Temperaturen um etwa 0,2°C nach oben oder unten zu verbiegen. Langfristig gleichen sich diese Modifikationen zwar aus, aber es ist überaus wichtig, den Anteil einer solchen Beeinflussung größenmäßig abzuschätzen. So geht wohl ein signifikanter Teil der starken Erwärmungsphase von 1977-2000 auf die ansteigende bzw. hohe PDO zurück. Der CO2-bedingte Anteil an der Erwärmung muss entsprechend geringer gewesen sein.

Abbildung 1: Die Pazifisch Dekadische Oszillation (PDO) besitzt eine Zyklendauer von ca. 60 Jahren und erhöht bzw. erniedrigt die Temperatur um jeweils etwa 0,2°C je nach PDO-Phase. Der Erwärmungsstop im Jahr 2000 fällt mit dem Abstieg der PDO zusammen und stellt eine Wiederholung der Situation aus den 1940er Jahren dar (Abbildung 25 in “Die kalte Sonne”).

 

Aber es gibt ja nicht nur die PDO, sondern eine ganze Flöte von weiteren klimasysteminternen Zyklen. Nehmen wir zum Beispiel die AMO. Auch sie besitzt einen etwa 60-jährigen Zyklus, der jedoch um 10-20 Jahre zeitverzögert zur PDO abläuft (Abbildung 2). Und auch die Nordatlantische Oszillation (NAO) schwingt in diesem Größenmaßstab. Ist es nicht verwunderlich, dass all diese Zyklen in ähnlichen Zeitmaßstäben schwingen, wenn auch nicht synchron?

Abbildung 2: 60-Jahreszyklik der PDO (oben) und AMO (unten). Quelle: the energycollective

 

Eine US-amerikanische Forschergruppe um Marcia Wyatt von der University of Colorado hat sich jetzt Gedanken über das Problem gemacht die sie 2012 im Fachjournal Climate Dynamics veröffentlichten. Die Wissenschaftler versuchen in ihrer Arbeit eine neuartige Sichtweise: Man sollte das Klimasystem nicht so sehr als Ansammlung von Klimaklötzchen sehen muss, wie es Klimamodelle tun, sondern vielmehr als ein eng miteinander verwobenes Netzwerk mit nahen aber auch fernen Verknüpfungen. Hierdurch können die Daten schlüssiger interpretiert und Trends besser herausgearbeitet werden. Insbesondere sehen die Forscher Hinweise darauf, dass sich klimasysteminterne Schwingungen wie beispielsweise die AMO im Klimasystem selbständig fortpflanzen und weitere Klimazyklen mit etwas Zeitverzug anstoßen. Die Autoren nennen ihr Modell daher „Die Stationwelle“.

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Wolken kühlen Südamerika ab: Schlechte Karten für den Wolkenverstärker des IPCC

Wetter und Klima stellen ein äußerst dynamisches System dar, das sich durch ständige Veränderung auszeichnet. Auch ohne äußere Einflüsse wie Sonnenaktivitätsschwankungen oder anthropogene Störungen würde das Wetter- und Klimasystem „schwingen“. Mittlerweile kennen wir eine Vielzahl solcher natürlicher Veränderlichkeiten und Zyklen, die in ihrem Maßstab von wenigen Tagen bis etlichen Jahrzehnten reichen. Am bekanntesten sind wohl die Nordatlantische Oszillation (NOA), die Pazfische Dekadische Oszillation (PDO) und El Nino.

Ein weniger bekanntes klimasysteminternes Muster ist die sogenannte Southern Annular Mode, kurz „SAM“ (Abbildung 1). Das Phänomen läuft auch unter dem Namen „Antarktische Oszillation“ (AAO).

Abbildung 1: regionale Übersicht über klimasysteminterne Schwankungen und Zyklen. Quelle: University Corporation for Atmospheric Research.

 

Im Rahmen der SAM ändern sich Hoch- und Tiefdruckgebiete in der Antarktis sowie in mittleren südlichen Breiten, was zu Intensitätsschwankungen in den Westwinden führt (nähere Details auf der UCAR-Webseite). Wenn man die zeitliche Entwicklung des SAM Index aufträgt, erkennt man die starken Änderungen im Jahres-Maßstab (Abbildung 2). Löst man die Daten zeitlich weiter auf, dann erkennt man auch SAM-Änderungen im Tagesmaßstab. Eine vereinfachte Erläuterung des Southern Annular Mode gibt es in einem sehenswerten Videoclip der Landwirtschaftsbehörde des australischen Bundestaates Victoria.

Abbildung 2: Entwicklung des Southern Annular Mode für die vergangenen 70 Jahre. Der ansteigende Langzeittrend ist nach Ansicht einiger Forscher auf die antarktische Ozonausdünnung sowie die Zunahme der Treibhausgaskonzentration zurückzuführen. Für unsere Betrachtung ist jedoch die Variabilität im Jahresbereich und kürzer von Interesse. Quelle: Jianping Li.

 

Dies soll jedoch nur die Einleitung zu einer spannenden Studie sein, die Benjamin Laken und Enric Pallé vom Instituto de Astrofísica de Canarias auf Teneriffa im Juli 2012 im Journal of Geophysical Research veröffentlicht haben. Die beiden Forscher nahmen sich Satellitendaten zur Wolkenbedeckung aus den Jahren 2000-2008 vor und suchten gezielt nach starken Änderungen im Datensatz im Tagesmaßstab. Sie interessierten sich dabei für die Frage, was wohl Ursache derartiger starker Änderungen gewesen sein könnte und welche Auswirkungen dies auf andere Wetterparameter hatte.

Laken und Pallé fanden bei ihren Untersuchungen sehr starke Änderungen der Wolkenbedeckung über Südamerika (Abbildung 3). Dabei fiel ihnen auf, dass die Bewölkung in der Regel zunahm, wenn der SAM-Index ins Positive umschlug (Abbildung 4). Offensichtlich führen die entsprechenden Luftdruckänderungen dabei in statistisch signifikanter Weise zu einer verstärkten Wolkenbildung. Der Bedeckungsgrad erhöht sich im Rahmen dieser SAM-Schwankungen ziemlich abrupt um bis zu 20%.

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Wu et al. 2011: Erwärmung im späten 20. Jahrhundert durch Ozeanzyklen verstärkt

Wenn man sich die Temperaturkurve der letzten 150 Jahre etwas genauer anschaut, erkennt man, dass die Temperatur nicht monoton angestiegen ist, sondern der Verlauf vielmehr durch einen etwa 60 Jahre langen Zyklus geprägt ist, welcher einem Langzeittrend überlagert ist (Abbildung 1). Der Temperatur-Zyklus verläuft dabei in beeindruckender Weise parallel zur Pazifisch-Dekadischen Oszillation (PDO), einem bedeutenden Ozeanzyklus. 

 

Abbildung 1: Der Temperaturverlauf der letzten 150 Jahre ist durch einen langfristigen Anstiegstrend geprägt, der durch einen 60-Jahres-Zyklus überlagert wird. Abbildung aus dem Buch „Die kalte Sonne“.

 

Den Langzeittrend ermittelt man dabei am besten durch eine Linie, die die Nullpunkte des Zyklus verbindet (Abbildung 2). Der Langzeittrend kann dabei mehrere Ursachen haben. Am wahrscheinlichsten ist eine Kombination von Sonnenaktivitätsschwankungen, Kohlendioxid und Ruß. Während sich das Sonnenmagnetfeld im 20. Jahrhundert mehr als verdoppelt hatte, stiegen auch die CO2– und Ruß-Konzentration in der Atmosphäre. Eine realistische quantitative Abschätzung der drei Klimafaktoren stellt eine der wichtigsten Aufgaben für die aktuelle Klimaforschung dar. 

 

Abbildung 2: Temperaturzyklen sind dem Langzeittrend überlagert. Die Temperaturprognose aus dem 2007er IPCC-Bericht folgt offensichtlich der durch die Ozeanzyklen übersteilten Flanke, wäre jedoch besser dem Langzeittrend gefolgt. Der Langzeittrend wird zudem vermutlich in Kürze für eine Weile abknicken, da die Sonnenaktivität als wichtige Einflussgröße in den kommenden Jahrzehnten abnehmen wird. Abbildung aus dem Buch „Die kalte Sonne“. 

 

Die dem Langzeittrend überlagerte 60-Jahres-Zyklik führt dazu, dass zu gewissen Zeiten die Erwärmungsrate stärker als die Rate des Langzeittrends ist. Zu anderen Zeiten hingegen wird die Erwärmung schwächer als der Langzeittrend ausfallen, zum Teil sogar zu Jahrzehnten mit Abkühlung führen, wie z.B. 1940-1950 (bzw. 1940-1970, wenn man ein Fan der 30-Jahres-Klimaregel ist). Dies liegt in der Natur der Sache und ist zu erwarten. 

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