ENSO mechanisms and interactions in a hybrid coupled recharge oscillator model

Frauen, Claudia

The El Nino Southern Oscillation (ENSO) mode is the most important phenomenon of interannual climate variability. The phenomenon has its origin in the interactions of the atmosphere and the tropical Pacific Ocean but the teleconnections of ENSO reach far beyond the tropical Pacific. Although the understanding of ENSO has improved greatly, there are still aspects of ENSO that are not yet well understood. Some of these aspects are the seasonality of ENSO, i.e., the nature of El Nino events to peak in boreal winter, and the asymmetry of ENSO, i.e., the fact that El Nino events are, in general, stronger than La Nina events. Also, the possible effects of a changing climate on ENSO, and the influences of the tropical Indian and the tropical Atlantic Ocean on ENSO are areas of ongoing studies. For this work, the hybrid coupled model RECHOZ was developed consisting of the ECHAM5 atmospheric general circulation model, a simple mixed layer ocean model outside the tropical Pacific and the simple recharge oscillator ocean model in the tropical Pacific. Despite the simplistic and, by construction, linear representation of ocean dynamics in the RECHOZ model, it is able to simulate the main statistical features of El Nino, including variance, period, seasonality, skewness, and kurtosis. This model was used to study the seasonality of ENSO and the nonlinearities in the ENSO cycle. Analyses of the model show that atmospheric properties are responsible for the seasonality and nonlinearity of ENSO. A nonlinear relationship between the zonal wind stress and sea surface temperature (SST) is causing the El Nino-La Nina asymmetry. With the aid of sensitivity experiments, the effects of changes in the mean state of the tropical Pacific on ENSO due to atmospheric feedbacks were studied and the influences of the tropical Indian and the tropical Atlantic Ocean on ENSO were analysed. Analyses of the sensitivity experiments show that changes in the mean state of the tropical Pacific have a strong influence on the amplitude and frequency of ENSO. However, the results strongly depend on the pattern of the changes. An El Nino-like warming pattern leads to a strong increase in ENSO variability and shifts the period of ENSO towards longer timescales. For the tropical Atlantic Ocean no clear influence on ENSO can be detected. In contrast the tropical Indian Ocean has a strong damping effect on the SST variability in the tropical Pacific and reduces the period of the ENSO cycle.

Der El Nino Southern Oscillation (ENSO) Mode ist das bei weitem wichtigste Phänomen zwischenjährlicher Klimavariabilität. ENSO hat seinen Ursprung in den Wechselwirkungen der Atmosphäre und des tropischen Pazifischen Ozeans, aber die Fernwirkungen reichen weit über den tropischen Pazifik hinaus. Obwohl sich das Verständnis des ENSO Phänomens stark verbessert hat, sind einige Aspekte ENSOs noch immer nicht gut verstanden. Einige dieser Aspekte sind die Saisonalität ENSOs, d.h. die Eigenschaft ENSOs im nordhemisphärischen Winter den Höhepunkt zu erreichen, und die Asymmetrie ENSOs, d.h. die Tatsache, dass El Nino Ereignisse für gewöhnlich stärker ausfallen als La Nina Ereignisse. Ebenso sind die möglichen Effekte des Klimawandels auf ENSO und die Einflüsse des tropischen Indischen und des tropischen Atlantischen Ozeans auf ENSO Gegenstand aktueller Forschung. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das hybrid gekoppelte Modell RECHOZ entwickelt, das aus dem allgemeinen atmosphärischen Zirkulationsmodell ECHAM5, dem einfachen Recharge Oscillator Ozeanmodell im tropischen Pazifik und einem einfachen Durchmischungsschicht-Model außerhalb des tropischen Pazifiks besteht. Trotz der einfachen und per Konstruktion linearen Darstellung der Ozeandynamik im RECHOZ-Modell ist das Modell in der Lage, die wesentlichen statistischen Eigenschaften ENSOs, wie die Varianz, die Periode, die Saisonalität, die Schiefe und die Kurtosis, zu reproduzieren. Dieses Modells wurde verwendet, um die Saisonalität ENSOs und die Nichtlinearität im ENSO-Zyklus zu untersuchen. Analysen der Modellergebnisse zeigen, dass atmosphärische Eigenschaften für die Saisonalität und Nichtlinearität ENSOs verantwortlich sind. Ein nichtlinearer Zusammenhang zwischen der zonalen Windschubspannung und der Meeresoberflächentemperatur verursacht die El Nino-La Nina Asymmetrie. Mithilfe von Sensitivitätsexperimenten wurden die Effekte von Veränderungen im mittleren Zustand des tropischen Pazifiks auf ENSO durch atmosphärische Rückkopplungen und die Einflüsse des tropischen Indischen und des tropischen Atlantischen Ozeans auf ENSO analysiert. Untersuchungen der Sensitivitätsexperimente zeigen, dass Veränderungen im mittleren Zustand des tropischen Pazifiks einen starken Einfluss auf die Amplitude und Frequenz von ENSO haben. Allerdings sind die Auswirkungen stark von dem Muster der Veränderungen abhängig. Ein El Nino-artiges Erwärmungsmuster führt zu einem starken Anstieg der ENSO Variabilität und verschiebt die Periode ENSOs zu längeren Zeiträumen. Für den tropischen Atlantik kann kein deutlicher Einfluss auf ENSO festgestellt werden. Im Gegensatz dazu hat der tropische Indische Ozean einen stark dämpfenden Effekt auf die SST Variabilität im tropischen Pazifik und verringert die Periode des ENSO-Zyklus.

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Frauen, Claudia: ENSO mechanisms and interactions in a hybrid coupled recharge oscillator model.

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