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ENSO mechanisms and interactions in a hybrid coupled recharge oscillator model [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Claudia Frauen

137 pages
ENSO mechanisms and interactions in ahybrid coupled recharge oscillator modelDissertationzur Erlangung des Doktorgradesder Mathematisch Naturwissenschaftlichen Fakultatder Christian-Albrechts-Universitat zu Kielvorgelegt vonClaudia FrauenLeibniz-Institut fur MeereswissenschaftenForschungsbereich 1- Maritime Meteorologie -Kiel, Oktober 2010Referent: Dr. Dietmar DommengetKoreferent: Prof. Dr. Mojib LatifTag der mundlichen Prufung: 01.12.2010Zum Druck genehmigt: 01.12.2010gez. Prof. Dr. Lutz Kipp, DekanContentsAbstract iiiZusammenfassung v1 Introduction 12 The tropical oceans and ENSO 52.1 Observational data sets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.2 The tropical Paci c Ocean and ENSO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.2.1 The mean state of the tropical Paci c . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.2.2 El Nino~ and La Nina~ events . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.2.3 ENSO variability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.3 The tropical Atlantic Ocean and the tropical Indian Ocean . . . . . . . . . . 162.4 Interactions of the tropical oceans with ENSO . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 The RECHOZ model 213.1 The recharge oscillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213.2 Model development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253.3 The REOSC-MC model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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ENSO mechanisms and interactions in a
hybrid coupled recharge oscillator model
Dissertation
zur Erlangung des Doktorgrades
der Mathematisch Naturwissenschaftlichen Fakultat
der Christian-Albrechts-Universitat zu Kiel
vorgelegt von
Claudia Frauen
Leibniz-Institut fur Meereswissenschaften
Forschungsbereich 1
- Maritime Meteorologie -
Kiel, Oktober 2010Referent: Dr. Dietmar Dommenget
Koreferent: Prof. Dr. Mojib Latif
Tag der mundlichen Prufung: 01.12.2010
Zum Druck genehmigt: 01.12.2010
gez. Prof. Dr. Lutz Kipp, DekanContents
Abstract iii
Zusammenfassung v
1 Introduction 1
2 The tropical oceans and ENSO 5
2.1 Observational data sets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 The tropical Paci c Ocean and ENSO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2.1 The mean state of the tropical Paci c . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2.2 El Nino~ and La Nina~ events . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.3 ENSO variability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3 The tropical Atlantic Ocean and the tropical Indian Ocean . . . . . . . . . . 16
2.4 Interactions of the tropical oceans with ENSO . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3 The RECHOZ model 21
3.1 The recharge oscillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.2 Model development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.3 The REOSC-MC model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4 ENSO in the RECHOZ model 31
4.1 Main ENSO statistics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.2 Seasonality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45Contents
4.3 Atmospheric nonlinearity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.4 In uence of the tropical Paci c mean state on ENSO . . . . . . . . . . . . . 54
4.5 Interactions of the tropical oceans with ENSO . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5 Conclusions 99
5.1 Results and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.2 Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
5.2.1 ENSO predictions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5.2.2 Changes in ENSO variability due to global warming . . . . . . . . . . 103
List of Figures 105
List of Tables 111
Bibliography 113
Abbreviations 123
Parts of this work were published in Geophysical Research Letters:
Frauen, C., and D. Dommenget: El Nino~ and La Nina~ amplitude asymmetry caused by
atmospheric feedbacks, Geophys. Res. Lett, 37, L18801, doi:10.1029/2010GL044444.
iiAbstract
The El Nino~ Southern Oscillation (ENSO) mode is the most important source of interannual
climate variability. It has its origin in the interactions of the atmosphere and the tropical
Paci c Ocean but the teleconnections of ENSO reach far beyond the tropical Paci c. Al-
though 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 ENSO 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
e ects of a changing climate on ENSO, and the in uences 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, the simple recharge oscillator ocean model in the tro-
pical Paci c and a simple mixed layer ocean model outside the tropical Paci c. 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 sea-
sonality and nonlinearity of ENSO. A nonlinear relationship between the zonal wind stress
and the sea surface temperature (SST) is causing the El Nino-La~ Nina~ asymmetry.
With the aid of sensitivity experiments, the e ects of changes in the mean state of the tro-
pical Paci c on ENSO due to atmospheric feedbacks were studied and the in uences of theAbstract
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 Paci c have a
strong in uence on the amplitude and frequency of ENSO. However, the results strongly
depend on the pattern of the changes. An El Nino-lik~ e 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 in uence on ENSO can be detected. In contrast,
the tropical Indian Ocean has a strong damping e ect on the SST variability in the tropical
Paci c and reduces the period of the ENSO cycle.
ivZusammenfassung
Der El Nino~ Southern Oscillation (ENSO) Mode ist die bei weitem wichtigste Ursache zwi-
schenj ahrlicher Klimavariabilit at. ENSO hat seinen Ursprung in den Wechselwirkungen der
Atmosph are und des tropischen Pazi schen Ozeans, aber die Fernwirkungen reichen weit
ub er den tropischen Pazi k hinaus. Obwohl sich das Verst andnis des ENSO Ph anomens
stark verbessert hat, sind einige Aspekte ENSOs noch immer nicht ausreichend verstanden.
Einige dieser Aspekte sind die Saisonalit at ENSOs, d.h. die Eigenschaft ENSOs im nord-
hemisph arischen Winter den H ohepunkt zu erreichen, und die Asymmetrie ENSOs, d.h. die
Tatsache, dass El Nino~ Ereignisse fur gew ohnlich st arker ausfallen als La Nina~ Ereignisse.
Ebenso sind die m oglichen E ekte des Klimawandels auf ENSO und die Ein usse des tro-
pischen 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 atmosph arischen Zirkulationsmodell ECHAM5, dem einfachen Recharge
Oscillator Ozeanmodell im tropischen Pazi k und einem einfachen Turbulenzschicht-Ozean-
modell au erhalb des tropischen Pazi ks 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 Saisona-
lit at, die Schiefe und die Kurtosis, zu reproduzieren.
Dieses Modell wurde verwendet, um die Saisonalit at ENSOs und die Nichtlinearit at im
ENSO-Zyklus zu untersuchen. Analysen der Modellergebnisse zeigen, dass atmosph arische
Eigenschaften fur die Saisonalit at und Nichtlinearit at ENSOs verantwortlich sind. Ein nicht-Zusammenfassung
linearer Zusammenhang zwischen der zonalen Windschubspannung und der Meeresober-
achentemperatur (SST) verursacht die El Nino-La~ Nina~ Asymmetrie.
Mithilfe von Sensitivit atsexperimenten wurden die E ekte von Ver anderungen im mittleren
Zustand des tropischen Pazi ks auf ENSO durch atmosph arische Ruc kkopplungen und die
Ein usse des tropischen Indischen und des tropischen Atlantischen Ozeans auf ENSO analy-
siert. Untersuchungen der Sensitivit atsexperimente zeigen, dass Ver anderungen im mittleren
Zustand des tropischen Pazi ks einen starken Ein uss auf die Amplitude und Frequenz von
ENSO haben. Allerdings sind die Auswirkungen stark von dem Muster der Ver anderungen
abh angig. Ein El Nino-artiges~ Erw armungsmuster fuhrt zu einem starken Anstieg der ENSO
Variabilit at und verschiebt die Periode ENSOs zuangerenl Zeitr aumen.
Fur den tropischen Atlantik kann kein deutlicher Ein uss auf ENSO festgestellt werden. Im
Gegensatz dazu hat der tropische Indische Ozean einen stark d ampfenden E ekt auf die SST
Variabilit at im tropischen Pazi k und verringert die Periode des ENSO-Zyklus.
vi

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