El Niño en La Niña zijn de warme en koele fasen van een terugkerend klimaatpatroon over de tropische Pacific. De El Niño-Zuidern Oscillation (ENSO) cyclus. Deze cyclus is de meest krachtige drijvende kracht achter de jaarlijkse wereldwijde klimaatvariabiliteit, die in staat is weerpatronen te veranderen, mariene ecosystemen te vervangen en de wereldeconomie te beïnvloeden van Sumatran rijstvelden naar Peruaanse visserij. Terwijl de namen El Niño en La Niña het meest geassocieerd worden met abnormale zeeoppervlaktemperaturen (SST's), zijn deze temperatuurverschuivingen symptomen van een veel dieper fysiek proces waarbij een volledige reorganisatie van atmosferische druksystemen en een massale herverdeling van oceaanstromingen over duizenden kilometers.

Het begrijpen van de fysieke kenmerken en oceaanstromingen die met deze gebeurtenissen gepaard gaan is niet alleen een academische oefening; het is de wetenschappelijke basis voor seizoensvoorspelling. Door de beweging van warmte in de bovenste oceaan en de kracht van de handelswinden te volgen, kunnen wetenschappers anticiperen op het begin van een ENSO-evenement maanden van tevoren, waardoor kritieke aanlooptijd wordt geboden aan gemeenschappen die kwetsbaar zijn voor overstromingen, droogtes en stormen.

De basislijn: Normale omstandigheden in de Equatoriaal-Pacific Oceaan

Om de extremen van El Niño en La Niña te begrijpen, moet men eerst de basisvoorwaarden "normale" condities vaststellen. De equatoriale Pacific is geen uniform waterlichaam; het wordt gekenmerkt door een dramatische oost-west asymmetrie in temperatuur, stromen en windpatronen.

De Walker Circulatie en handelswinden

De primaire motor van het tropische Pacifische klimaatsysteem is de Walker Circulatie. Intense zonne-verwarming in het westen van de Stille Oceaan, in de buurt van Indonesië en Noord-Australië, zorgt ervoor dat warme, vochtige lucht stijgt. Deze stijgende lucht creëert een gebied van lage atmosferische druk en brandstof torenhoge onweersbuien en overvloedige regenval. Deze zone staat bekend als de westelijke Pacifische Warm Pool, de grootste uitgestrektheid van consistent warm water op de planeet (SSTs boven 28°C).

Als deze lucht stijgt en de bovenste atmosfeer bereikt (de tropopauze), verschilt en stroomt oostwaarts over de Stille Oceaan. Uiteindelijk, deze lucht koelt en zinkt over de koelere wateren van de oostelijke Stille Oceaan, nabij de kust van Zuid-Amerika. Deze zinkende lucht creëert een zone van hoge druk. Het drukverschil tussen de hoge druk cel in het oosten en de lage druk cel in het westen drijft de aanhoudende oosten handel winden. Deze wind waait van oost naar west langs de evenaar, het voltooien van de Walker Circulatie lus.

De Helling Thermocline en Opwelling

De winden zijn het centrale fysieke mechanisme dat de oceaan vormt. Als deze winden westwaarts over de oceaan oppervlak waait, wrijving duwt water langs. De wind stress stapelt warm oppervlaktewater omhoog in de westelijke Stille Oceaan, het verhogen van de zeespiegel daar met maar liefst 60 centimeter (24 inch) in vergelijking met de oostelijke Stille Oceaan. Deze westwaarts accumulatie van water creëert een sterke verticale kanteling in de thermocline .De grenslaag die de warme, gemengde oppervlakte wateren van de koude, diepe wateren onder.

Onder normale omstandigheden is de thermocline diep in het westelijke deel van de Stille Oceaan (ongeveer 150 tot 200 meter diep) en ondiep in het oostelijke deel van de Stille Oceaan (slechts ongeveer 30 tot 50 meter diep). In het oosten, de ondiepe thermocline maakt het mogelijk koud, voedingsrijk water naar het oppervlak te brengen door middel van een proces genaamd kust en equatoriale opwelling. Als de handel wind waait parallel aan de kust van Peru en Ecuador, wordt oppervlaktewater offshore geduwd vanwege Ekman transport. Dit dwingt kouder, dichter water van onder naar stijgen en vervangen. Deze opwelling van voedingsdense water is de basis voor een van 's werelds meest productieve mariene ecosystemen, ondersteunend enorme populaties ansjovis, sardines en zeevogels.

Fysische kenmerken van El Niño: De warme fase

El Niño staat voor een afbraak van de normale staat. De term, Spaans voor "het jongetje" (vaak verwijzend naar het Christuskind omdat het fenomeen vaak rond Kerstmis verschijnt), wordt gedefinieerd door een aanhoudende opwarming van de centrale en oostelijke tropische Stille Oceaan.

Oppervlaktetemperatuur van de zee Anomalieën en de ONI

Het bepalende fysieke kenmerk van El Niño is de aanwezigheid van anomalieën van de oppervlaktetemperatuur van de zee (SST). Wetenschappers houden dit in de gaten met behulp van de Oceanic Niño Index (ONI), die het gemiddelde SST-verschil van normaal meet in de Niño 3.4 regio (5°N-5°S, 120°-170°W). Een El Niño gebeurtenis wordt aangegeven wanneer de ONI +0,5°C overschrijdt voor een rollend drie maanden gemiddelde. Tijdens sterke gebeurtenissen (zoals 1982-83, 1997-98, en 2015-16), kunnen afwijkingen meer dan +2,0°C bedragen, wat een enorme injectie van warmte in de oppervlaktelaag over een massaal gebied vertegenwoordigt.

Terugkeer van de Walker Circulatie

De opwarming van de oostelijke Stille Oceaan stort de oost-west temperatuur en drukgradiënt in. De convectiezone .De regio van stijgende lucht en zware neerslag shifts oostwaarts van Indonesië naar de centrale Stille Oceaan . Dit is een fundamentele verschuiving in de atmosfeer . De Walker Cell verzwakt , en in sommige extreme gevallen , kan eigenlijk terug , met lucht stijgen in het centrale / oostelijke Stille Oceaan en zinken over Indonesië . Deze verschuiving in atmosferische convectie is het primaire mechanisme waardoor El Niño invloed op de mondiale weerpatronen , die als een gigantische kei gegooid in de globale atmosferische stroom .

De platvorming van de thermocline

Als de handel winden verzwakken tijdens El Niño, de fysieke "achterhouden" van warm water in het westen is ontspannen. Dit leidt tot een reeks van massieve, ondergrondse golven bekend als nederzetting Kelvin golven. Deze golven verspreiden zich oostwaarts langs de evenaar, duwen de thermocline dieper in het oostelijke deel van de Stille Oceaan. De thermocline vlakt over het bekken, wordt gelijkmatig diep. Dit betekent dat het koude, voedingsrijke water van de diepe oceaan is niet langer toegankelijk voor de oppervlakte stromingen en winden in het oosten.

Ocean Currents and Processes Tijdens El Niño

De ineenstorting van de handelswinden en de afvlakking van de thermocline leiden tot een dramatische reorganisatie van de oceaanstromingen.

Verzwakking van de Zuid-Eudelandse stroom (SEC)

De South Equatorial Current is de dominante oppervlaktestroom in de Stille Oceaan, die westwaarts wordt gedreven door de handelswinden. Tijdens El Niño, de vertraagde handel winden veroorzaken de SEC aanzienlijk vertragen. Dit vermindert het volume warm water dat wordt vervoerd weg van de kust van Zuid-Amerika, wat bijdraagt aan de snelle opwarming van de oostelijke Stille Oceaan.

Intensivering van de Equatoriaale contrastroom (ECC)

De Equatoriale Tegenstroom stroomt naar het oosten, vastgebonden tussen de Noord- en Zuid-Equatoriale stromingen. Naarmate de handelwinden verzwakken, versterkt het ECC. Het werkt als een terugstroom, snel bewegend het warme water dat werd opgestapeld in de westelijke Stille Oceaan terug naar het oosten. Deze stroom is een belangrijk fysiek mechanisme voor het herverdelen van warmte over de evenaar tijdens het begin van een El Niño gebeurtenis.

De ineenstorting van de kustopwoning

Een van de meest ecologisch significante effecten van El Niño is de sluiting van de kustopwelling. Omdat de thermocline veel dieper is geduwd door het passeren van Kelvin-golven, hebben de kustwinden niet langer de kracht om koud water naar het oppervlak te brengen. In plaats van voedingsrijk koud water, trekken de winden gewoon warm, voedingsarm oppervlaktewater aan. Dit snijdt de basis van het mariene voedselweb af. Phytoplankton bloeit instort, gevolgd door zoöplankton, vis en zeevogels en zeezoogdieren die zich daarop voeden. Deze verschuiving is direct verbonden met de achteruitgang van de visvisserij op de ansjovisvis in Peru tijdens sterke gebeurtenissen in El Niño.

Fysische kenmerken van La Niña: De Coole Fase

La Niña, Spaans voor "het kleine meisje," wordt vaak omschreven als de koude fase van ENSO. Echter, het wordt nauwkeuriger gekenmerkt als een intensivering of versterking van de normale klimaattoestand.

Ondergemiddelde SST's en een sterker verloop

La Niña wordt gedefinieerd door een aanhoudende afkoeling van de centrale en oostelijke equatoriale Stille Oceaan, meestal weerspiegeld door een ONI waarde van -0,5°C of lager. Koud water afwijkingen verspreid over de equatoriale Stille Oceaan, vaak uit te breiden ver westwaarts van de kust van Zuid-Amerika. Het contrast tussen het koude oosten en het zeer warme westen wordt veel scherper dan normaal.

Intensivering van de Walker Circulatie

Tijdens La Niña wordt de drukgradiënt over de Stille Oceaan sterk. Het hogedruksysteem over de oostelijke Stille Oceaan versterkt, terwijl het lagedruksysteem over de westelijke Stille Oceaan dieper wordt. Dit drijft de Walker Circulatie naar een intensere staat. De stijgende lucht over Indonesië en het maritieme continent is sterker, wat leidt tot bovengemiddelde regenval en overstromingen. De zinkende lucht over de oostelijke Stille Oceaan is sterker, wat leidt tot extreem droge omstandigheden in kustgebieden.

Verbeterde thermocline-kantel

De versterkte handel winden duwen nog meer warm oppervlaktewater in de westelijke Stille Oceaan, die de thermocline er nog verder verdiepen. Omgekeerd, de wind trekt meer koud water naar het oppervlak in het oosten, waardoor de thermocline in het oostelijke Stille Oceaan ondieper dan normaal. Deze verbeterde oost-west kantelen van de thermocline is het primaire fysieke reservoir van koud water dat een La Niña gebeurtenis definieert.

Oceaanstromingen en processen tijdens La Niña

La Niña versterkt en versnelt de normale stroompatronen van de equatoriale Stille Oceaan, waardoor een krachtig koeleffect ontstaat.

Versterking van de Zuid-Eude stroming

De sterkere dan normale handelwinden versnellen de SEC, waardoor het volume koud oppervlaktewater dat naar het westen vanuit Zuid-Amerika wordt vervoerd, dramatisch toeneemt. Deze westwaartse stroom van koel water verlaagt de SST's over het centrale en oostelijke deel van de Stille Oceaan, waardoor het signaal van La Niña wordt versterkt.

Verbeterde kust- en Equatoriaale opwelling

De ondiepgang van de thermocline maakt opwelling veel efficiënter. De kustwinden langs Peru en Ecuador zijn beter in staat om het koude, voedingsrijk water naar het oppervlak te trekken. Dit resulteert in een koude zeeoppervlak en een enorme explosie van biologische productiviteit. De wateren voor de kust van Zuid-Amerika worden een van de meest productieve ter wereld tijdens La Niña, die een boom in vispopulaties ondersteunt. Het koude water strekt zich uit ver west langs de evenaar in een koude tong, wat een definiërend visueel kenmerk van La Niña op satelliet SST kaarten is.

De Equatoriaale Onderstroom (EUC)

De Equatoriaale Onderstroom is een krachtige, ondergrondse stroom die oostwaarts stroomt langs de evenaar, onder de westwaarts stromende SEC. Tijdens La Niña, versterkt de EUC. Het transporteert koud, relatief zoet water van de westelijke thermocline oostwaarts. Naarmate het de Galapagoseilanden en de Zuid-Amerikaanse kust bereikt, deze huidige oppervlakken, voeden de koude tong en het verder verbeteren van het koeleffect. De EUC is een cruciaal onderdeel van de La Niña staat, die fungeert als een ondergrondse transportband van koud water.

Globale effecten en verbindingen

De fysieke veranderingen in oceaanstromingen en SST's tijdens ENSO-evenementen zijn niet beperkt tot de tropen. Ze veroorzaken een cascade van atmosferische reacties over de hele wereld, bekend als teleconnecties.

El Niño Teleconnecties

De oostwaarts verschuiving van convectie verandert de positie en sterkte van de Pacific en Noord-Amerikaanse straalstromen. Tijdens El Niño, de zuidelijke tak van de straalstroom versterkt over de zuidelijke Verenigde Staten, waardoor koel, nat weer naar Californië en de Golfkust. Het noordelijke niveau van de VS de neiging om warmer en droger. Wereldwijd, El Niño is geassocieerd met droogte in Australië, Indonesië en India, en zware regenval en overstromingen in Peru en Ecuador. De verticale windschering over het Atlantische bekken neemt toe, die meestal onderdrukt het aantal en de intensiteit van Atlantische orkanen.

Televerbindingen van La Niña

La Niña verbetert het normale patroon. De straalstroom heeft de neiging om meer noordwaarts over de Stille Oceaan, waardoor nattere omstandigheden in de Pacific Noordwest en koudere, sneeuwer winters in de Noordelijke vlakten. De zuidelijke VS de neiging om warmer en droger. De verminderde windschering en warmere wateren in de Atlantische Oceaan meestal creëren een gunstiger omgeving voor de ontwikkeling van Atlantische orkaan. In de westelijke Stille Oceaan, zwaardere moesson regens en een verhoogd risico op overstromingen zijn gebruikelijk in Zuidoost-Azië en Noord-Australië.

Monitoring van de oceaan: de instrumenten van ENSO-voorspelling

Ons vermogen om deze krachtige gebeurtenissen te voorspellen is afhankelijk van een verfijnd wereldwijd observatiesysteem dat specifiek is ontworpen om de fysieke kenmerken en stromen te volgen die hierboven beschreven zijn.

De TAO/TRITON Buoy Array

De Tropische Atmosferische Oceaan/Driehoek Trans-Ocean Buoy Network (TAO/TRITON) array is de frontlijn van ENSO monitoring. Deze ligboeien meten een suite van variabelen in real-time, waaronder windsnelheid/richting, luchttemperatuur, vochtigheid, SST, en oppervlaktetemperatuur tot 500 meter. Deze array is het belangrijkste hulpmiddel voor het detecteren van de sub-oppervlakte verspreiding van Kelvin golven, die de duidelijkste vroege indicator van een ontwikkelende El Niño of La Niña gebeurtenis zijn.

Satelliet Altimetry en Scatterometrie

Satellieten bieden een bassin-brede zicht op de fysieke toestand van de oceaan. Satelliet-Altimeters meten de zeeoppervlakhoogte (SSH) met opmerkelijke precisie. Omdat warm water uitdijt, geeft een hoger dan normale SSH een diepere thermocline en warmere omstandigheden aan (El Niño). Lagere SSH geeft een ondiepere thermocline en koudere omstandigheden aan (La Niña). Scatterometers gebruiken radarpulsen om de snelheid en richting van de handelswinden over het oceaanoppervlak te meten, zodat de kritische gegevens beschikbaar zijn die nodig zijn om de sterkte van de Walker Circulatie in bijna realtime te beoordelen.

Conclusie: De Ocean-Atmosfeer-engine

El Niño en La Niña zijn niet alleen afwijkingen in de temperatuur van het zeeoppervlak; het zijn diepgaande reorganisaties van het oceaan-atmosfeersysteem, aangedreven door de fundamentele natuurkunde van oceaanstromingen, handelwinden en de thermocline. De normale toestand is er een van dynamisch evenwicht, gehandhaafd door de meedogenloze duw van de handelswinden. Wanneer deze balans wordt verstoord, de resulterende cascade van de huidige omkeringen en temperatuurafwijkingen vormt het mondiale klimaat.

Het begrijpen van de fysieke kenmerken van de helling van de thermocline tot de kracht van de Equatoriale Onderstroom .. biedt de sleutel tot het voorspellen van deze gebeurtenissen . Door het integreren van gegevens van de TAO/TRITON array , satelliet-altimetry en oceaanmodellen , kunnen wetenschappers nu voorspellen de ontwikkeling van ENSO verschillende seizoenen van tevoren . Deze voorspellende vermogen is een direct gevolg van ons begrip van de onderliggende fysica , het veranderen van een natuurlijk fenomeen dat ooit leek onvoorspelbaar in een klimaatcyclus die we kunnen controleren met toenemend vertrouwen .