Wie außertropische Wechselwirkungen zwischen Ozean und Atmosphäre zur Variabilität von Jetstreams beitragen können

Die Wechselwirkung zwischen den Ozeanen und der Atmosphäre spielt eine entscheidende Rolle bei der Gestaltung des Erdklimas. Veränderliche Meeresoberflächentemperaturen können die Atmosphäre erwärmen oder abkühlen, und Veränderungen in der Atmosphäre können das Gleiche auch auf die Meeresoberfläche bewirken. Dieser Energieaustausch wird als „Ozean-Atmosphäre-Kopplung“ bezeichnet.

Jetzt haben Forscher der Kyushu-Universität herausgefunden, dass diese Kopplung zwischen Ozean und Atmosphäre die Fernverbindungsmuster in der nördlichen Hemisphäre verbessert, wenn sich die Klimabedingungen in weiten Teilen der Welt ändern. In ihrer jüngsten Studie modellierte das Team die Auswirkung der Ozeankopplung auf atmosphärische Zirkulationsmuster und stellte fest, dass die außertropische Ozean-Atmosphäre-Kopplung mäandrierendere Jetstreams verursacht, die mit extremen Wetterereignissen verbunden sind.

Die Kopplung zwischen Ozean und Atmosphäre ist in den Tropen am stärksten, wo die Kopplung für die bekannte „El Niño-Southern Oscillation“ im äquatorialen Pazifik verantwortlich ist. Die El Niño-Southern Oscillation wiederum führt entfernt zu einem mäandrierenden Jetstream in den mittleren Breiten durch die Bildung großräumiger atmosphärischer Zirkulationsmuster, also Fernverbindungsmuster.

Außerhalb der Tropen, in den mittleren Breiten, ist der Einfluss der Ozean-Atmosphäre-Kopplung auf Fernverbindungsmuster weniger bekannt. Dennoch kann seine Bedeutung für die Ursache extremer Wetterereignisse nicht außer Acht gelassen werden, insbesondere im Hinblick auf die Klimakrise.

In einer in der Zeitschrift veröffentlichten Studie Kommunikation Erde und UmweltEin Forscherteam unter der Leitung von Assistenzprofessor Masato Mori vom Forschungsinstitut für Angewandte Mechanik der Universität Kyushu hat in Zusammenarbeit mit der Universität Tokio, der Universität Toyama und der Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology ein neues Licht auf das Phänomen geworfen.

„Da extreme Wetterereignisse wahrscheinlicher auftreten, wenn die Schwankungen in den Jetstreams groß sind – etwa wenn das Ausmaß des Fernverbindungsmusters groß ist – ist es wichtig, die Mechanismen zu verstehen, die dieses Fernverbindungsmuster bilden und aufrechterhalten“, erklärt Mori.

Um die Rolle der außertropischen Ozean-Atmosphäre-Kopplung zu untersuchen, führten die Forscher zwei Simulationen durch: einen gekoppelten Lauf, der die Wechselwirkung zwischen dem außertropischen Ozean und der Atmosphäre berücksichtigte, und einen entkoppelten Lauf, der die Wechselwirkung zwischen den beiden Komponenten vernachlässigte.

Die Simulationen untersuchten den Einfluss der Ozean-Atmosphäre-Kopplung auf Fernverbindungsmuster während der Winterzeit auf der Nordhalbkugel: Dezember bis Februar. Die Auswirkung der Kopplung auf atmosphärische Zirkulationsmuster wurde anhand atmosphärischer Variablen wie Luftdruck und Temperatur bewertet.

In ihren Simulationen beobachteten die Forscher signifikante Veränderungen der atmosphärischen Variablen, insbesondere im Nordpazifik, im subpolaren Nordatlantik und im nördlichen Eurasien rund um die Barents-Kara-Seeregionen vor der Küste Sibiriens. Diese Veränderungen deuteten auf Verschiebungen in den Fernverbindungsmustern im Vergleich zu Simulationen ohne eine solche Interaktion hin.

„Die außertropische Kopplung erhöht selektiv die Varianz von drei Hauptvariabilitätsmodi und erklärt 13 %, 11 % bzw. 10 % der Gesamtvarianz der Muster Pazifik/Nordamerika, Nordatlantische Oszillation und Warm-Arktis-Kälte-Eurasien.“ sagt Mori.

Im gekoppelten Lauf verringerte der Wärmeaustausch zwischen Ozean und Atmosphäre den thermischen Unterschied zwischen Luft und Meer. Dadurch wird weniger Wärme aus den Ozeanen an die Atmosphäre abgegeben, was zu einer erhöhten kinetischen Energie und einem mäanderförmigeren Jetstream führt. Umgekehrt reagiert die Meeresoberflächentemperatur bei entkoppelten Ozeanen nicht auf atmosphärische Schwankungen. Durch die größeren Temperaturunterschiede wird mehr Wärme freigesetzt, was zu einem weniger mäandrierenden Strahlstrom führt.

„Die vorliegende Studie quantifiziert den Kopplungseffekt auf der Grundlage großer Ensemblesimulationen eines hochmodernen, vollständig gekoppelten Modells. Darüber hinaus zeigt sie, wie die Kopplung selektiv mehrere Hauptvariabilitätsmodi verstärkt, nicht nur thermodynamisch, sondern auch dynamisch“, schließt Mori .

Insbesondere weisen die Forscher darauf hin, dass die Simulation den Kopplungseffekt aufgrund von Modellverzerrungen und Problemen beim Simulationsdesign möglicherweise unterschätzt hat. Dennoch könnten neue Erkenntnisse über die Auswirkungen der Ozean-Atmosphäre-Kopplung in der nördlichen Hemisphäre dazu beitragen, die Klimaprojektionen angesichts der Klimakrise durch die Verbesserung von Klimamodellen zu verbessern.