Nordatlantische Oszillation

Druckverhältnisse, Strömungen und Wetterlagen bei einem positiven NAO-Index im Winter

Die Nordatlantischen Oszillation (NAO) ist ein Bestandteil der Atmosphärischen Zirkulation, der vor allem im Nordatlantikraum einen großen Einfluss auf das Wetter ausübt.

Bedeutung und zeitliche Variation

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Zeitliche Schwankungen

Der NAO-Index nach Hurrell. Die Säulen zeigen den mittleren Winter-NAO-Index (Dez.-März) an, die schwarze Kurve das 5-Jahresmittel.

Als primär freie Schwingung der Atmosphäre, in der viele Bewegungsprozesse interagieren und zufällige Variationen hervorbringen, kann die NAO große Veränderungen von Jahr zu Jahr und innerhalb einzelner Jahre von Monat zu Monat und auf noch kürzeren Zeitskalen aufweisen. Es gibt aber auch Schwankungen, die sich über größere Zeiträume erstrecken. Rekonstruktionen der NAO über die letzten 500 Jahre zeigen vor 1900 relativ geringe Schwankungen, während die NAO im 20. Jahrhundert deutlich stärkere Amplituden aufweist. Deutlich erkennbar ist eine Periode mit relativ hohen NAO-Werten in den ersten drei Jahrzehnten des Jahrhunderts, während die Zeit ab ca. 1940 bis um 1970 eine Periode mit den stärksten negativen NAO-Werten war. Die letzten 30 Jahre sind wieder durch einen positiven NAO-Index charakterisiert und weisen die höchsten positiven Werte des 20. Jahrhunderts und auch der letzten 500 Jahre auf. Allerdings schwächt sich diese positive Phase seit Mitte der 1990er Jahre wieder ab.

Während die kurzfristigen NAO-Schwankungen als Ausdruck der atmosphärischen Dynamik mit ihren zufälligen und chaotischen Prozessen gelten, lassen die Schwankungen auf Zeitskalen von Jahren und Jahrzehnten andere Einflussfaktoren vermuten. Diskutiert werden Interaktionen der nordatlantischen Atmosphäre mit langsamer agierenden Komponenten des Klimasystems wie dem Ozean, der Stratosphäre oder dem durch den Menschen bedingten Anstieg von Treibhausgasen.

Zum Verständnis der NAO-Dynamik

hurensohn

Wechselwirkungen mit dem Ozean

Da die NAO sich über dem nordatlantischen Ozean entwickelt, stehen ihre Schwankungen auch in einem Wechselverhältnis mit dem Ozean. Dabei gibt es einen direkten wechselseitigen Temperatureinfluss zwischen Atmosphäre und Ozean. Temperaturveränderungen in der Atmosphäre teilen sich unmittelbar der ozeanischen Deckschicht mit. Typisch ist eine tripolare Struktur der Wärmereaktion des nordatlantischen Ozeans. Während einer positiven NAO-Phase zeigt der nordwestliche Atlantik von Island bis Neufundland relativ kühle Temperaturen, der mittlere Nordatlantik von Florida bis zur Nordsee relativ warme und der südliche Nordatlantik von der westafrikanischen Küste Richtung Antillen wieder relativ kühle Temperaturen. Bei einer negativen NAO-Phase drehen sich die Verhältnisse um: Der mittlere Nordatlantik ist relativ kühl, die beiden anderen Regionen sind relativ warm.

Der langsamer reagierende Ozean speichert die aufgenommene Energie über längere Zeiträume als die Atmosphäre, was auf die darüber liegende Atmosphäre zurückwirkt und so die stärkeren atmosphärischen Schwankungen dämpft bzw. Zustände der Atmosphäre über längere Zeiträume erhält. Eine Rolle dabei spielt auch die Bildung einer dünnen sommerlichen ozeanischen Deckschicht, die die im Winter von der Atmosphäre aufgenommenen Temperaturen von der Atmosphäre isoliert und so bis zum nächsten Winter konserviert. Im Spätherbst beseitigen und vermischen stärkere Winde die sommerliche Deckschicht, so dass die winterlichen Temperaturen des Vorjahres mit der Atmosphäre wieder in Kontakt treten. Im frühen Winter zeigt sich entsprechend der Einfluss der Meeresoberflächentemperatur auf die NAO. Allerdings wird der Einfluss der Rückwirkung des Ozeans auf die NAO auf Zeitskalen von Jahr zu Jahr als relativ schwach beurteilt und auf nicht mehr als 10-20 % der NAO-Schwankungen geschätzt.

Eine stärkere Wechselwirkung zwischen NAO und Ozean besteht auf Zeitskalen von Jahrzehnten. Wie Abb.4 zeigt, gibt es eine Korrelation zwischen der NAO und der Intensität des Nordatlantikstroms (bzw. der Meridionalen Umwälzzirkulation MOC). Dabei gehen Veränderungen der NAO solchen der MOC um etwa ein Jahrzehnt voraus. Als Ursache werden Änderungen der Konvektion in der Labradorsee durch die NAO angenommen, die sich auf die MOC auswirken. Davon werden die Oberflächentemperaturen des Atlantiks beeinflusst, die wiederum zurück auf die NAO wirken.

Entwicklung des NAO-Index im Winter (Dez.-März) als Maß für die Stärke von Westwinden und Wärmetransport im Nordatlantik (blaue Kurve: 11-Jahresmittel); Entwicklung des Temperaturgegensatzes zwischen der Meeresoberflächentemperatur im Nord- (relativ warm) und im Südatlantik (relativ kalt) als Maß für die Stärke der MOC (rot: Jahreswerte, lila: 11-Jahresmittel)

Der im Nordatlantik in der Labrador See als auch im Europäischen Nordmeer stattfindende vertikale Wasseraustausch wird maßgeblich durch Schwankungen der NAO beeinflusst. Durch die in den letzten beiden Jahrzehnten überwiegend positiven NAO-Lagen ist es zu einer verstärkten Tiefenwasserbildung im Nord-West Atlantik gekommen. Diese ist mit den verhältnismäßig kalten Wintertemperaturen korreliert, die aufgrund der positiven NAO-Lage an der Ostküste Kanadas auftreten. Dabei trägt die konvektive Erneuerung mittlerer und tiefer Wasserschichten der Labrador See zur Produktion und Transport des Nordatlantischen Tiefenwassers bei und hält so die weltweite thermohaline Zirkulation in Gange. Die Intensität der im Nordatlantik stattfindenden Konvektionsströme wird dabei weniger durch jahreszeitliche als durch Schwankungen der NAO, die sich über Jahrzehnte erstrecken, beeinflusst. So ist die in der Labradorsee stattfindende Konvektion in den späten 1960er-Jahren wesentlich schwächer und somit flacher ausgeprägt gewesen als es heute der Fall ist. Seitdem ist das Wasser der Labrador See um einiges kälter und salzärmer geworden, mit stark zugenommenden Konvektionsströmen bis in über 2300 Meter Tiefe. Dagegen wird die Konvektion im Europäischen Nordmeer in den letzten Jahren eher unterdrückt und zeichnet sich durch wärmere und salzreichere Tiefengewässer aus.

Eventuell könnte auch der eigenständige Energietransport durch den Nordatlantikstrom aufgrund der trägen Reaktion des Ozeans die Schwankungen der Nordatlantischen Oszillation auf längeren Zeitskalen von Jahren bis Jahrzehnten nachhaltig prägen und damit entsprechend prognostizierbar machen.

In jüngster Zeit wird auch ein Einfluss des tropischen Pazifiks und des Indischen Ozeans auf die NAO diskutiert und teilweise sogar als bedeutender als der Einfluss des Atlantiks eingeschätzt. Neben einem eher schwachen Einfluss des ENSO-Phänomens auf die NAO werden vor allem die Meeresoberflächentemperaturen im westlichen tropischen Pazifik und im Indischen Ozean als prägend für die Dekaden-Schwankung der NAO angenommen. Das soll insbesondere für die Verstärkung des NAO-Index in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts gelten. Die Verbindung zwischen dem Indischen und Pazifischen Ozean auf der einen und dem Nordatlantik auf der anderen Seite wird durch Fernwirkungen über die atmosphärische Zirkulation und ihre planetarischen Wellen angenommen.

Insgesamt erklären die ozeanischen Einflüsse aber nur einen verhältnismäßig geringen Teil der dekadischen NAO-Schwankungen. Als weiterer Faktor wurde daher eine Wechselwirkung mit der Stratosphäre untersucht.

Die Beteiligung der Stratosphäre

Nach Auffassung einiger Forscher lässt sich die auffällige Intensivierung des NAO-Index in den letzten 30 Jahren möglicherweise auch aus Veränderungen in der Stratosphäre erklären, die durch eine Zunahme der Treibhausgase in der Troposphäre und Abnahme des stratosphärischen Ozons verursacht sein könnten. Die Zusammenhänge sind kompliziert. Zunächst einmal besteht ein dynamischer Einfluss der Troposphäre auf die Stratosphäre in höheren Breiten. Aber auch eine umgekehrte Wirkung der Stratosphäre auf das Klima der Troposphäre ist inzwischen in der Forschung Konsens. Der Einfluss der Troposphäre auf die Stratosphäre zeigt sich in der Auswirkung der NAO auf den stratosphärischen Polarwirbel, einer gegen den Uhrzeigersinn drehenden Strömung in 10-15 km Höhe, die durch den im Winter besonders großen Luftdruckgradienten an der Polarfront bedingt ist. Eine Erhöhung des NAO-Index bewirkt nach etwa vier Tagen eine Verstärkung des Polarwirbels in der Stratosphäre, eine Verringerung des NAO-Index hat den umgekehrten Effekt.

Schematische Darstellung des Einflusses der planetarischen Wellen des Polarjets auf den stratosphärischen Polarwirbel

Hintergrund ist die Beziehung zwischen der Verteilung von Kontinenten und Ozean auf der Nordhalbkugel, dem Jetstream der polaren Frontalzone und dem stratosphärischen Polarwirbel. Durch die unterschiedliche Wärmekapazität von Land und Wasser kommt es in den höheren Breiten der Nordhalbkugel zu starken Temperatur- und Luftdruckunterschieden, die den polaren Jet zur Bildung von großräumigen Mäandern bzw. planetarischen Wellen veranlassen, was durch meridional verlaufende Gebirgszüge (Rocky Mountains, Ural) noch verstärkt wird. Abspaltungen dieser planetarischen Wellen breiten sich nach oben bis in die Stratosphäre aus und transportieren Luftmassen aus mittleren Breiten Richtung Äquator auf der einen und bis in das Polargebiet auf der anderen Seite. Hier stören sie den stratosphärischen Polarwirbel und machen ihn instabil.

Bei niedrigem NAO-Index pflanzen sich die Mäander stärker Richtung Pol fort und schwächen den stratosphärischen Polarwirbel, bei hohem NAO-Index stärker Richtung Äquator, was eine relativ geringe Störung des stratosphärischen Polarwirbels zur Folge hat. Die in den letzten Jahrzehnten beobachtete deutliche Zunahme des NAO-Index hat danach eine Verstärkung des stratosphärischen Polarwirbels zur Folge und damit eine zunehmende Abkühlung der höheren Atmosphäre über der Arktis.

Offensichtlich gibt es aber auch eine "Abwärts-Kontrolle" der NAO durch den stratosphärischen Polarwirbel, auch wenn die Forschung im Verständnis der Mechanismen noch in den Anfängen steckt. Beobachtungen haben ergeben, dass die Folgen von auffälligen klimatischen Ereignissen in der Stratosphäre wie eine plötzliche Erwärmung nach großen Vulkanausbrüchen etwa drei Wochen später in der Troposphäre nachweisbar sind. Bis in die Stratosphäre geschleuderte vulkanische Aerosole absorbieren Solarstrahlung nur in den von der Sonne beschienenen Gebieten, nicht jedoch in der Polarnacht über den Polen. Das führt im Nordwinter zu einem verstärkten Temperatur- und Luftdruckgradienten zum Pol hin und in der Folge zu einer Verstärkung des stratosphärischen Polarwirbels, die sich nach unten bis in die Troposphäre fortsetzt.

Als Erklärung für einen Einfluss des stratosphärischen Polarwirbels auf die NAO werden ein indirekter Mechanismus über Auswirkungen auf die planetarischen Wellen, der dann Rückwirkungen auf die NAO hat, und ein direkter Einfluss stratosphärischer Dynamik auf die Nordatlantische Oszillation diskutiert.

Untersuchungen verschiedener Modellsimulationen haben gezeigt, dass nur Modelle mit einer realitätsnahen Präsentation der Stratosphäre jüngste Veränderungen des troposphärischen Klimas in den höheren und mittleren Breiten der Nordhalbkugel, insbesondere die NAO-Verstärkung der letzten Jahrzehnte, adäquat darstellen. Das lässt auf eine nicht zu vernachlässigende Wirkung der Stratosphäre auf klimatische Veränderungen in der Troposphäre und die NAO schließen. Diese Zusammenhänge sind auch für die Frage von Bedeutung, ob die jüngste Zunahme des NAO-Index eventuell eine Folge anthropogener Treibhausgasemissionen ist.

Gibt es anthropogene Einflüsse?

Der Trend zur Verstärkung des NAO-Index in den letzten Jahrzehnten hat schon früh die Vermutung aufkommen lassen, dass daran die durch die Zunahme von Treibhausgasen verursachte globale Erwärmung beteiligt sei. Allerdings hat die Abschwächung der NAO nach 1995 daran auch wieder Zweifel geweckt. Die Beantwortung dieser Frage ist vor allem vor dem Hintergrund von Bedeutung, dass die NAO-Verstärkung in den letzten 30 Jahren für etwa ein Drittel der Schwankungen der Oberflächentemperaturen auf der Nordhalbkugel in den Winterhalbjahren verantwortlich ist. Falls das NAO-Verhalten der jüngsten Zeit allein in der natürlichen atmosphärischen Variabilität begründet liegt, hätte ein Großteil der gegenwärtigen Erwärmung über Europa und Sibirien nichts mit der Zunahme der Konzentration von Treibhausgasen zu tun. Wenn sich aber ein Einfluss der höheren Treibhausgaskonzentration auf die NAO nachweisen lässt, könnte die Temperaturzunahme über dem eurasischen Kontinent als weitgehend anthropogen angesehen werden. Ob sich die beobachteten Beziehungen zwischen NAO und dem europäischen Klima allerdings auch in Zukunft fortsetzen werden, ist ungewiss.

Ein Einfluss der globalen Erwärmung auf die NAO im 21. Jahrhundert lässt sich nur mit Modellrechnungen abschätzen. Modelle sind allerdings nur begrenzt in der Lage die NAO-Schwankungen im 20. Jahrhundert richtig wiederzugeben. So hat keines von 18 untersuchten Modellen den starken NAO-Trend zwischen den 1960er und den 1990er Jahren reproduziert. Alle Modelle zeigen jedoch, dass bei einer Zunahme der Kohlendioxidkonzentration der Atmosphäre auch die Intensität der NAO zunimmt, allerdings nur in geringem Ausmaß. Möglicherweise besitzen die Modelle eine zu geringe Auflösung oder berücksichtigen bestimmte Antriebsfaktoren wie Änderungen der Stratosphäre zu wenig. Was alle Modelle übereinstimmend allerdings auch zeigen, ist der recht geringe Einfluss der NAO auf das europäische Klima im 21. Jahrhundert. Allerdings werden regionale Effekte wie stärkere Stürme vor den britischen Inseln, eine Zunahme von Starkregen im Mittelmeerraum oder ein Einfluss auf die nordatlantische Tiefenzirkulation durchaus für möglich gehalten.

Der letztgenannte Einfluss ist über eine Zunahme der Windgeschwindigkeit über dem nordatlantischen Ozean denkbar. Veränderungen der nordatlantischen Westwinde, die durch Schwankungen der NAO verursacht werden, wirken sich auch auf die Oberflächenströmungen der ozeanischen Deckschicht aus und beeinflussen so die Meeresoberflächentemperatur, mit Folgen für die Meridionalen Umwälzzirkulation (MOC). So könnte die von den meisten Modellen berechnete Schwächung der MOC infolge der globalen Erwärmung durch die Intensivierung der NAO um 30-40 Jahre verzögert werden, da die stärkeren Westwinde über dem Nordatlantik dem Oberflächenwasser in den Absinkzonen der MOC mehr Wärme entziehen, es dadurch abkühlen und seine Dichte erhöhen. Das wiederum würde die Tiefenzirkulation verstärken bzw. erhalten.

Siehe auch

• NAO Folgen
• Arktische Oszillation
• ENSO

Literatur

• Die Nordatlantische Oszillation (NAO), promet 34, Heft 3/4, 2008
• Vinther et al. 2003, A major deviation from the NAO temperature seesaw pattern
• Wanner et al. 2001, North atlantic oscillation – concepts and studies
• Jones et al. 1997, Extension to the north atlantic oscillation using early instrumental pressure observations from Gibraltar and south-west Iceland

Weblinks

• Climate Predicton Center NOAA: Tägliche NAO-Daten und 3-Monats-Mittel seit 1950
• NAO-Seite bei naturgewalten.de