Die Nordatlantische Oszillation und ihr Einfluss auf das Klima in Europa
Meeresströmungen und ihre Rolle im Klimawandel
von Prof. Dr. E Ruprecht, GEOMAR
Die Nordatlantische Oszillation (NAO) ist ein charakteristisches und einflussreiches Phänomen der atmosphärischen Zirkulation auf der Nordhalbkugel. Da die NAO eng mit den Winden auf dem Nordatlantik gekoppelt ist, hat sie großen Einfluss auf die Wechselwirkungen zwischen Ozean und Atmosphäre. Sie beeinflusst damit direkt das Wetter und Klima Europas. Am GEOMAR werden diese Effekte untersucht. Hierfür werden direkte Beobachtungen und Ergebnisse von numerischen Modellen analysiert. Darüber hinaus werden am GEOMAR Modelle entwickelt, welche die ozeanischen Prozesse angefacht durch die Atmosphäre simulieren.
Die Nordatlantische Oszillation stellt ein Zusammenspiel zwischen dem Azoren-Hoch und dem Island-Tief dar: Wenn sich das Azorenhoch verstärkt (Druckanstieg), verstärkt sich gleichzeitig auch das Island-Tief (Druckabfall). Solche Druckänderungen treten vor allem im Winter in bestimmten zeitlichen Abständen auf.
Die Stärke der NAO wird durch einen Index klassifiziert. Der NAO-Index ist definiert als die Differenz der Druckabweichung von den jeweiligen Mittelwerten an der Station Ponta Delgada (Azoren) und Stykkisholmur (Island). Eine Zeitreihe des NAO-Index von 1864 bis heute ist in Abbildung 2 dargestellt. Sie zeigt, dass der NAO-Index großen Schwankungen unterliegt. Ein großer (positiver) NAO-Index geht einher mit kräftigen Westwinden in den mittleren Breiten und Verstärkung der Passate in den Tropen. Ein niedriger (negativer) NAO-Index hat abgeschwächte Westwinde und mäßige Passatwinde zur Folge.
Zunehmende Windgeschwindigkeiten an der Meeresoberfläche erhöhen den Austausch von Wärme, Wasserdampf und Impuls zwischen Ozean und Atmosphäre. Dieser Austausch kann unter anderem dazu führen, dass der Ozean sich abkühlt oder die Atmosphäre mehr Feuchte aufnimmt. Neben diesen direkten Effekten, die die Wassertemperatur beeinflussen, können Änderungen im Windfeld zu Änderungen der ozeanischen Strömungen führen.
1. Charakteristiken der NAO
Die NAO ist hauptsächlich im Winter ausgeprägt, in den anderen Jahreszeiten ist sie nur sehr schwach ausgebildet. Wie die Zeitreihe in Abbildung 2 zeigt, schwankt der NAO-Index zwar sehr stark, eine dominante Periodizität ist aber nicht zu erkennen. Häufig werden zwar Schwankungen im Bereich von acht bis zehn Jahren angegeben. Diese Perioden sind aber nicht stationär. In den letzten 20 Jahren wurden zwei Änderungen deutlich: Es gab fast ausschließlich positive Indizes mit sehr großen Werten sowie eine Verlagerung der NAO-Zentren nach Osten. Beide Veränderungen sind möglicherweise Auswirkung einer globalen Erwärmung – Klimamodelle geben zumindest Hinweise darauf.
Da direkte Beobachtungen nur etwa für 150 Jahre vorliegen, wird in einer Arbeitsgruppe des Forschungsbereichs Ozeanzirkulation und Klimadynamik am GEOMAR versucht, das Verhalten der NAO auch aus sogenannten proxy-Daten (zum Beispiel Eisbohrkerne und Baumringe) abzuleiten. Rekonstruktionen bis zurück ins 17. Jahrhundert sind auf diese Weise möglich. Entsprechend lange Zeitreihen können Auskunft darüber geben, ob die Änderungen in den letzten 20 Jahren einmalig oder auch schon zu früheren Zeiten aufgetreten sind.
2. Transport von Luftmassen nach Europa
Das europäische Wetter wird im wesentlichen durch die Zyklonen beeinflusst, die auf dem Atlantik (häufig vor der Ostküste Amerikas) entstehen und dann nach Osten ziehen. Die Anzahl und Zugbahnen der Zyklonen sind mit der NAO verknüpft.
In Wintern mit hoher NAO wird eine größere Anzahl beobachtet als während einer niedrigen NAO-Phase. Ihre Bahnen sind dann auch mehr in Richtung Nordeuropa (Schottland, Skandinavien) gerichtet. Im Gegensatz dazu stehen die Winter mit niedriger NAO, in denen die Zyklonen den europäischen Kontinent mehr im Süden (Portugal, Spanien, Mittelmeer) treffen.
Die Zyklonen tragen dazu bei, die temperierten und feuchten atlantischen Luftmassen nach Europa zu befördern. Man kann den Atlantik als das Quellgebiet für den Niederschlag Europas bezeichnen. Wie sich der Feuchtetransport vom Atlantik nach Europa von hoher zu niedriger NAO ändert, ist in Abbildung 3 dargestellt: Starker Transport nach Nord-Europa bei hoher NAO, etwas schwächerer Transport nach Süd-Europa bei niedriger NAO.
3. Wetter und Klima in Europa
Als Konsequenz der Zyklonenbahnen und des Feuchtetransports ändert sich die Wettersituation zwischen Nord- und Südeuropa von hoher zu niedriger NAO in Gegenphase: Während hoher NAO-Winter bleibt Nordeuropa warm und feucht mit viel Regen und wenig Schnee. Der Mittelmeerraum erfährt dann regenarme Winter. Während niedriger NAO-Winter erhält Südeuropa viel Niederschlag und Skandinavien ist trocken und es kann durch einströmende Luftmassen aus dem asiatischen Kontinent sehr kalt werden.
Diese Verhältnisse werden in Abbildung 1 wiedergegeben. Die drei Diagramme zeigen für hohe und niedrige NAO die Häufigkeitsverteilungen von Niederschlag im Winter in Skandinavien und für die Iberische Halbinsel sowie die winterlichen Temperaturen Skandinaviens. Bei niedriger NAO schwankt die Temperatur in Skandinavien zwischen minus 16 und plus 1 Grad Celsius, der häufigste Wert (Mode) liegt bei minus 5 Grad Celsius. Bei hoher NAO steigt der Temperaturbereich auf minus 9 bis plus 6 Grad Celsius an, der häufigste Wert liegt bei bei minus 1 Grad Celsius.
Der Niederschlag über der Iberischen Halbinsel ändert sich mit wechselnder NAO drastisch: Während hoher NAO-Winter kann es zu ausgedehnten Trockenperioden kommen und in niedrigeren NAO-Wintern treten Überschwemmungen auf. In Skandinavien sind die Verhältnisse nicht so stark ausgeprägt, aber eine Verdoppelung des Niederschlags von niedriger zu hoher NAO wird ebenfalls beobachtet.
4. Änderungen der ozeanischen Zirkulation
Wenn man ein numerisches Ozeanmodell des Nordatlantiks mit dem NAO-abhängigen Windfeld und den entsprechenden Flüssen von Wärme, Wasserdampf und Impuls antreibt, erhält man als Resultat Änderungen der thermohalinen Zirkulation, die auf die Wirkung der NAO zurückzuführen sind. Das bedeutet, dass auch die Stärke des Golfstroms und der Transport von Wärme aus dem Tropen in die hohen Breiten durch den Ozean von der NAO beeinflusst werden.
Die Wirkung der NAO auf eine Anzahl von Prozessen in der Atmosphäre und im Ozean ist bekannt und gut verstanden. Unverstanden sind bis heute jedoch Ursprung und Ursachen der NAO. Ein Zusammenhang zwischen Störungen im Ozean der mittleren Breiten und Störungen in der Atmosphäre, die die NAO erzeugen können, ist bisher nicht gefunden worden. Daher wird die Hypothese vertreten, dass die NAO ihren Ursprung in den Tropen hat. Von dort ist bekannt, dass der Ozean entsprechende Störungen in der Atmosphäre anregen kann.
Auch die angrenzenden Landmassen könnten eine Rolle für die Entwicklung der NAO spielen. Dafür spricht zum Beispiel der große winterliche Temperaturunterschied an der Ostküste Nordamerikas zwischen dem Ozean und dem Land.
Eines der Ziele der aktuellen Forschung am GEOMAR ist es, die Nordatlantische Oszillation besser zu verstehen.
Weiterführende Fachliteratur:
van Loon, H. und J.C. Rogers, 1978: The Seesaw in Winter: Temperatures between Greenland and North Europe.Part I.General Description Monthly Weather Review, 106: 296-310
Hurrell, J.W., 1995:Decadal Trends in the North Atlanic Oscillation:Regional Temperatures and Precipitation. Science, 269: 676-679
Eden, C. und T. Jung,2 001: North Atlantic Interdecadal Variability:Oceanic Response to the North Atlantic Oscillation (1865-1997) Journal of Climate, 14: 676-691
Hilmer, M. und T. Jung, 2000:Evidence for a Change in the Link between the North Atlantic Oscillation and Arctic Sea Ice Export. Geophysical Research Letters, 27(7): 989-992
