Kein Trend in der El Nino-Entwicklung der letzten 150 Jahre: Klimamodelle mit zukünftigem Dauer-El Nino können die Vergangenheit nicht reproduzieren

Schaut man sich die globale Temperaturkurve der vergangenen 30 Jahre an, so fallen einem starke Wärmespitzen mit Ausschlägen von 0,2 bis 0,7°C ins Auge, die sich alle paar Jahre in unregelmäßiger Abfolge und verschiedener Intensität wiederholen. Nach einem oder zwei Jahren verpufft dann die Aufheizung genauso plötzlich wie sie kam, und die Temperaturen sacken abrupt wieder auf Normalniveau ab.

Hinter dem Naturspektakel steht El Nino, „das Christkind“, das den tropischen Pazifik alle zwei bis sieben Jahre, typischerweise um die Weihnachtszeit, heimsucht. Dabei kommt es zu einer starken Erwärmung der obersten Wasserschicht dieser Region. Gleichzeitig tauschen auch die Hoch- und Tiefdruckgebiete ihre angestammten Plätze, sodass sich während El-Nino-Ereignissen Luft- und Meeresströmungen teilweise umkehren. Das Gesamtphänomen aus El Nino und „Southern Oscillation“ läuft auch unter dem Namen „ENSO“. Eine vereinfachte und schön bebilderte Einführung in die Thematik gibt es auf WUWT.

Wird uns dieses Phänomen in der zweiten Jahreshälfte wieder beehren? Im Jahr 1998 hatte ein starker El Nino die Global-Temperatur um zwei Zehntel Grad nach oben schießen lassen, was die Freunde der Klimakatastrophe jauchzen ließ. Sechzehn Jahre später hofft man nun dringend auf eine Wiederholung des Hitzespektakels.

Aber El Nino ist nicht El Nino. Es gibt verschiedene Intensitäten (siehe Übersicht auf Golden Gate Weather Services) und verschiedene Typen. Die klimatischen Auswirkkungen unterscheiden sich jeweils (siehe auch Bannholzer & Donner 2014: „The influence of different El Niño types on global average temperature“). Zuletzt gab es 2009/2010 einen El Nino, und zwar von moderater Intensität.

Wenn vom El Nino berichtet wird, zuckt man unwillkürlich zusammen. Tief verankert in unseren Gehirnen ist durch zahlreiche Medienberichte die Vorstellung, dass der El Nino den Menschen ins Verderben stürzt und nur Schlechtes bringt. Eine aktuelle Untersuchung räumt mit diesem Fehlbild auf. Der Standard berichtete am 15. Mai 2014:

El Niño hat mehr positive als negative Effekte auf die Landwirtschaft
Forscher untersuchten die Auswirkungen von El Niño- und La Niña-Ereignissen auf globale Ernteerträge

Tokio – Das unregelmäßig meist in Abständen zwischen zwei und sieben Jahren auftretende Klimaphänomen, bei dem sich der Pazifische Ozean in Äquatornähe ungewöhnlich stark erwärmt, und sein meist darauf folgendes Gegenstück sorgen immer wieder weltweit für extreme Wetterereignisse: die Rede ist von El Niño und La Niña.

Forscher untersuchten nun deren Auswirkungen auf die Landwirtschaft in globaler Perspektive. Das Ergebnis: Rund ein Drittel der weltweiten Anbauflächen profitieren von El Niño, auf 22 bis 24 Prozent der Agrargebiete wirke er sich hingegen negativ auf die Ernte aus, berichtet ein Team um den Japaner Toshichika Iizumi im Fachmagazin “Nature Communications”. Die Effekte von La Niña seien deutlich mehr negativ als positiv.

Weiterlesen auf derstandard.at.

In letzter Zeit wird auch immer wieder gemutmaßt, der El Nino (und damit ein erhöhtes globales Temperaturniveau) könnte sich dauerhaft ausbilden. Jedes Jahr könnte dann ein El Nino-Jahr sein. Ein geradezu furchterregendes Szenario. So teilte das Kieler Geomar am 27. Mai 2014 per Pressemitteilung der Öffentlichkeit mit:

Wird das Christkind Dauergast? – Klimawandel könnte für einen permanenten El Niño sorgen
Im Moment deuten viele Vorzeichen darauf hin, dass sich in den kommenden Monaten ein El Niño Ereignis entwickeln wird. Dies könnte im Zuge der zunehmenden Erderwärmung dauerhaft der Fall sein, auch wenn Beobachtungen der letzten Jahrzehnte bisher einen gegenläufigen Trend zeigen. Zu diesem Ergebnis kommt eine Vergleichsstudie, die ein internationales Forscherteam unter Leitung des GEOMAR Helmholtz-Zentrums für Ozeanforschung Kiel durchgeführt hat. Die Ergebnisse sind in der internationalen Fachzeitschrift Climate Dynamics erschienen.

Eine “Vergleichsstudie”… das wollen wir natürlich etwas genauer wissen. Wie sind die Autoren bei ihrer Untersuchung vorgegangen? Dazu lesen wir weiter in der Pressemitteilung:

Die von den Autoren analysierten Modellstudien aus dem sogenannten CMIP (Coupled Model Intercomparison Projekt) Projekt, mit den Klimaprojektionen für die Klimazustandsberichte des Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) gerechnet wurden, zeigen eine generelle Abschwächung und Ostwärtsverlagerung atmosphärischen, äquatorialen Zirkulationsmuster bis zum Jahr 2100, relativ zum mittleren Zustand der Jahre 1950-1979. Das Muster ähnelt einer schwachen, aber dauerhaften El Niño Situation.

Die Erkenntnis wurde also aus einem theoretischen Klimamodell gewonnen. Sicher wurden die theoretisch modellierten Daten mit den realen Messwerten der letzten Jahrzehnte abgeglichen. Denn nur wenn ein Modell die Vergangenheit in den Griff bekommt, hat es Vorhersagequalität. Umso überraschender die Einlassung des Geomar in der Pressemitteilung zur Studie:

Die Beobachtungen (ERA Interim Reanalyse 1979-2012) konnten diesen Trend allerdings bisher noch nicht bestätigen, sondern zeigen eine gegenteilige Entwicklung mit einer Westwärtsverlagerung und Verstärkung der atmosphärischen Zirkulation am Äquator. „Diesen vermeintlichen Widerspruch kann man durch interne Variabilität des Klimasystems erklären“, erläutert der Hauptautor der Studie, Dr. Tobias Bayr vom GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel. „Wir halten es für sehr unwahrscheinlich, dass die Modelle die Entwicklung falsch vorhersagen, da für die verwendeten Analysen mehr als 36 verschiedene Modelle mit einer Vielzahl von Modellläufen verwendet wurden“, so Bayr weiter.

Schöne heile Klimawelt: Modelle weichen krass von der realen Entwicklung ab. Dennoch geben die Forscher ihren theoretischen Berechnungen den Vorzug, da sie das ganz oft nachgerechnet haben. Und wenn dann die wahre Natur nicht mitzieht, hat die Natur eben selber Schuld. Eine kuriose Logik. Der deutschen Presse sind diese Feinheiten viel zu blöde und man berichtete eifrig über die fragwürdige Geschichte (z.B. Ad Hoc News, top agrar online).

Es ist richtig, dass sich das El Nino-Phänomen in den letzten vier Jahrzehnten intensiviert hat, wenn man nur die letzten 100 Jahre betrachtet. Dies könnte aber durchaus rein natürliche Gründe im Rahmen zyklischer Entwicklungen haben, wie Dima et al. im Mai 2014 im Fachmagazin Climate Dynamics diskutierten. Bei einer Betrachtung von längeren Zeitreihen wird schnell klar, dass ein Trend von wenigen Jahrzehnten wenig Aussagekraft hat. Ray & Giese veröffentlichten 2012 eine Studie zur El Nino-Entwicklung der letzten 140 Jahre und konnten keinerlei langfristigen Trend in Stärke, Häufigkeit oder Dauer der El Ninos feststellen, und dies trotz globaler Erwärmung um fast ein Grad während dieses Zeitraums. In der Kurzfassung ihrer Arbeit schreiben die beiden Forscher:

Overall, there is no evidence that there are changes in the strength, frequency, duration, location or direction of propagation of El Niño and La Niña anomalies caused by global warming during the period from 1871 to 2008.

Zhu et al. untersuchten 2012 im Journal of Geophysical Research eine ähnliche Zeitspanne und konnten für die vergangenen anderthalb Jahrhunderte – seit Ende der Kleinen Eiszeit – ebenfalls keinen Langzeittrend finden. In den Schlussfolgerungen eines zur Studie gehörigen Posters schreiben die Wissenschaftler:

There has been no long term trend in the mode of hydrologic variability over the warm pool. The late 20th century record is not anomalous relative the early 20th century or the 19th century.

Nun wäre es doch ziemlich interessant, was das Geomar-El Nino-Klimamodell zu den letzten 150 Jahren herausfindet. Falls das theoretische Modell hier ebenfalls einen Trend berechnet, der in Wirklichkeit aber laut Studien gar nicht existiert, dann sollte man den Kieler Rechenkästen lieber schnell den Saft abdrehen.

Sano et al. (2012) rekonstruierten die Entwicklung des El Nino bzw. der südlichen Oszillation (ENSO) in Vietnam für die vergangenen 300 Jahre. Einen langfristigen Trend haben sie in der Kurzfassung ihrer Arbeit nicht zu berichten.

Über mittlere und längere Zeiträume gab es aber durchaus Änderungen:  So fanden Etayo-Cadavid et al. (2013) im Rahmen einer in Geology veröffentlichten Studie über Peru, dass 475–530 n. Chr. wohl eine längere El Nino-reiche Periode geherrscht haben muss.

Cobb et al. veröffentlichten in Science 2013 eine El Nino-Studie über die vergangenen 7000 Jahre auf Basis von Korallen. Die Autoren fanden keinerlei Langzeittrend. Auch ist die erhöhte El Nino-Aktivität der vergangenen Jahrzehnte ein Phänomen, das es in der Vergangenheit bereits öfter gegeben hat. Anbei der Abstract der Arbeit:

The El Niño–Southern Oscillation (ENSO) drives large changes in global climate patterns from year to year, yet its sensitivity to continued anthropogenic greenhouse forcing is uncertain. We analyzed fossil coral reconstructions of ENSO spanning the past 7000 years from the Northern Line Islands, located in the center of action for ENSO. The corals document highly variable ENSO activity, with no evidence for a systematic trend in ENSO variance, which is contrary to some models that exhibit a response to insolation forcing over this same period. Twentieth-century ENSO variance is significantly higher than average fossil coral ENSO variance but is not unprecedented. Our results suggest that forced changes in ENSO, whether natural or anthropogenic, may be difficult to detect against a background of large internal variability.

Koutavas & Joanides 2012 stellten für die vergangenen 25.000 Jahre zwei ENSO-Hauptzustände fest: In der letzten Eiszeit gab es eine verstärkte ENSO, während des mittelholozänen Klimaoptimums vor 6000 Jahren war die ENSO hingegen reduziert. Grund für diese sehr langfristigen Änderungen sind Milankovic-Zyklen, also systematische Änderungen in den Erdbahnparametern. Auszug aus der Kurzfassung:

Our results document coordinated adjustments of the tropical Pacific/ENSO system between two diametrically opposite states: an “amplified ENSO” state in the [Last Glacial Maximum] LGM associated with a reduced zonal temperature gradient, and a “damped ENSO” state in the Mid-Holocene with enhanced gradient. Orbital precession provided the switch between these states and acted as the dominant external driver of the tropical Pacific/ENSO system in the past 25,000 years.

Hochinteressant ist eine El Nino-Untersuchung aus der späten Kreidezeit vor 80 Millionen Jahren, als die Konzentration mit 1000 ppm etwa zweieinhalb Mal höher als heute lag. Davies et al. 2011 fanden, dass es damals keineswegs zu einem permanenten El Nino gekommen ist, sondern eine signifikante Variabilität existierte. Auszug aus der Kurzfassung:

This evidence for robust Late Cretaceous ENSO variability does not support the theory of a “permanent El Niño,” in the sense of a continual El Niño–like state, in periods of warmer climate.

Schwankungen der El Nino-Aktivität hat es also auf allen Zeitskalen in der Vergangenheit gegeben. Was könnte im Maßstab von Jahrtausenden bis Jahrzehnten der Antrieb dieser Variabilität gewesen sein? Immer mehr Studien kommen zu dem Schluss, dass wohl Sonnenaktivitätsschwankungen eine große Rolle spielen könnten:

Zhou et al. 2013 im Journal of Geophysical Research:

Solar cycle modulation of the ENSO impact on the winter climate of East Asia
This study examines how the East Asian winter climate response to the El Niño-Southern Oscillation (ENSO) varies with the 11-year solar cycle. The results indicate that the ENSO and East Asian climate relationship is robust and significant during winters with low solar (LS) activity, with evident warming in the lower troposphere over East Asia, which can be closely linked to the decreased pressure gradient between the cold Eurasian continent and the warm Pacific. Moreover, during the LS and El Niño winters, there is a typical rainfall response in Southeast Asia, with wet conditions over South China and dry conditions over the Philippines, Borneo, Celebes, and Sulawesi, which can be explained by the anticyclone over the western North Pacific (WNP). However, during high solar activity winters, both the surface temperature and rainfall anomalies are much less closely associated with the ENSO. The possible mechanism for this solar modulation of the ENSO-related East Asian climate anomalies may be the change in the tropospheric circulation with the ENSO in both tropical and extratropical regions. Particularly, in the LS cases, an anomalous WNP anticyclone is intensified and a noticeable cyclone occupies northern Northeast Asia, resulting from the changing location and strength of the large-scale Walker circulation induced by the more pronounced sea surface temperature anomalies associated with the ENSO. Further investigation with long historic data confirms that the relationship between the ENSO and the East Asian winter climate anomalies depends on the phases of 11 year solar cycle, with enhanced East Asian climate variation during the LS winters.

Einen Zusammenhang zwischen El Nino und der Sonnenaktivität hat auch Raimund Leistenschneider in einem Artikel aus dem März 2014 dokumentiert. Auszug:

Es wird gezeigt, dass immer dann ein El Niñoereignis stattfindet, wenn der Hauptsonnenzyklus in seiner Aktivität (nach seinem Aktivitätsminimum) wieder zu steigen beginnt. […] Anhand der Untersuchungsergebnisse ist festzustellen dass alle 40 El Niño-Ereignisse im Untersuchungszeitraum der letzten 140 Jahre durch einen solaren Parameter ausgelöst werden. Bei der solaren Aktivität bleiben bei den rekonstruierten Werten zwei El Niño aus. Im Zeitraum der gemessenen Werte bleibt kein solares Ereignis, ohne „seinen“ El Niño ausgelöst zu haben. Der El Niño tritt dabei in einem exakten Zeitfenster nach der solaren Aktivitätserhöhung/solarem Maximum ein. Genau 11 Monate danach.

Interessant ist der Vergleich der großen Solarflaute der Kleinen Eiszeit mit der solar aktiven Phase im 20. Jahrhundert. In der El Nino-Entwicklung hat es hier durchaus Veränderugen gegeben: So konnten McGregor et al. 2013 zeigen, dass die El Nino/ENSO-Variabilität in den letzten 40 Jahren gegenüber dem Kleinen Eiszeit-Zeitraum 1590-1880 deutlich erhöht war. Auszug aus der Kurzfassung:

Finally, synthesizing existing ENSO reconstructions to arrive at a better estimate of past ENSO variance changes, we find robust evidence that the ENSO variance for any 30 yr period during the interval 1590–1880 was considerably lower than that observed during 1979–2009.

Auch Lee et al. untersuchten den Übergang von der Kleinen Eiszeit zur Modernen Wärmeperiode. In ihrer 2013 im Fachjournal Nature Climate Change publizierten Untersuchung ermittelten sie die El Nino-/ENSO-Entwicklung der letzten 700 Jahre. Auch diese Forschergruppe fand, dass die ENSO-Aktivität während des späten 20. Jahrhunderts deutlich höher als in der Kleinen Eiszeit war. In der Kurzfassung schreiben die Autoren:

Our data indicate that ENSO activity in the late twentieth century was anomalously high over the past seven centuries, suggestive of a response to continuing global warming.

In einem Artikel 2012 im Fachmagazin Geology weisen Hereid et al. auf einen möglichen Zusammenhang mit der reduzierten Sonnenaktivität in der Kleinen Eiszeit hin, sehen aber auch eine große Rolle für klimasysteminterne Schwankungen. Auszug aus der Kurzfassung:

The reduced El Niño variability occurs during a known change in solar forcing, the initiation of the Little Ice Age. However, there is no clear relationship between the timing of changes in solar forcing and ENSO activity, implying that ENSO variability changes arise from internal dynamics. 

Wilson 2013 schlug zudem vor, dass Veränderungen der Mondgezeiten Einfluss auf die El Nino-Entwicklung haben könnten.

Für eine verlässliche El Nino-Langfrist-Vorhersage wäre ein besseres Verständnis der Zusammenhänge zwingend notwendig. Kurzfristig gibt es jetzt schon Methoden, El Ninos anhand von Symptomen im Klimasystem zu prognostizieren. Verschiedene Gruppen verfolgen hier unterschiedliche Ansätze. Ludescher et al. 2013 (unter Beteiligung von Hans-Joachim Schellnhuber) meinen jetzt die Lösung zum Problem gefunden zu haben. Ihr Modell hätte sich bereits bewährt, da es bereits 2012 das Ausbleiben des El Ninos vorhersagte. Und es gab dann wirklich auch keinen El Nino. Naja, könnte man auch vorhersagen, dass man im nächsten Jahr wohl nicht die Lotterie gewinnt. Und wenn dann der Geldsegen wirklich ausbleibt, hat sich das Vorhersagemodell bewahrheitet.

Auch Wang et al. 2012 erklärten, dass sie jetzt ein Jahr in die El Nino-Zukunft schauen können. Ramesh & Murtugudde 2013 behaupten sogar, sie können anderthalb Jahre im voraus prognostizieren.

Roxy et al. 2013 sind von den Klimamodellen für den Indischen Sommermonsun eher weniger beeindruckt, da die für das Geschehen sehr wichtige ENSO-Entwicklung nicht verlässlich modelliert werden kann. Auch Dörthe Handorf und Klaus Dethloff kritisierten 2012 in einer Arbeit die mangelhafte ENSO-Kontrolle in Klimamodellen.

Fazit: Die aktuelle El Nino-Entwicklung befindet sich noch voll und ganz im Bereich der natürlichen Variabilität. Sonnenaktivitätsschwankungen, Milankovic-Zyklen sowie klimasysteminterne Schwankungen sind die Haupttreiber für die beobachtete El Nino-Variabilität. Vorhersagen eines Dauer-El Nino sind zweifelhaft, da die Modelle weder die Vergangenheit korrekt abbilden können, noch mit Beobachtungen aus Analogsituationen aus der späten Kreidezeit zusammenpassen. Der nächste El Nino wird kommen – und das ist auch gut so.