Pięć pytań o ENSO (El Niño i La Niña)

El Nino i La Nina są częstymi bohaterami artykułów na temat susz, pożarów, tajfunów oraz innych ekstremalnych zjawisk na wybrzeżach Oceanu Spokojnego. Jakie są ich przyczyny i skutki? Jak możemy je prognozować? Jak będą się zmieniać w przyszłości? Te i inne tematy poruszono w wydanej niedawno książce El Niño Southern Oscillation in a Changing Climate pod redakcją M.J. McPhadena, Agusa Santoso i Wenju Caia. Korzystamy z tej okazji, by przybliżyć Wam temat ENSO, czyli „oscylacji południowej”.

1. Co to jest oscylacja południowa (ang. ENSO – El Niño Southern Oscillation)?

Oscylacją południową (ENSO) nazywamy fakt występowania w południowej części Oceanu Spokojnego na zmianę trzech sytuacji (faz): El Niño, La Niña i neutralnej. Każda faza odpowiada konkretnemu stanowi atmosfery i oceanu.

W skrócie:

Faza	Stan atmosfery	Stan wód tropikalnego Pacyfiku
La Niña	nasilenie pasatów (wiatrów w strefie międzyzwrotnikowej, wiejących ze wschodu  na zachód), silna konwekcja i deszcze nad Indonezją	ujemna anomalia temperatury powierzchni
neutralna	prędkość wiatrów i wartości opadów w pobliżu średniej	temperatura powierzchni w pobliżu średniej
El Niño	osłabienie pasatów, silna konwekcja i deszcze w centrum oraz nad wschodnim Pacyfikiem	dodatnia anomalia temperatury powierzchni

Aby móc się sprawnie komunikować i łatwo przetwarzać informacje o tak złożonych zjawiskach, naukowcy tworzą wskaźniki – „przepisy” pozwalające na ich scharakteryzowanie za pomocą pojedynczej liczby. W przypadku oscylacji południowej zaproponowano ich kilka, między innymi:

Nazwa	Podstawa do obliczania wskaźnika	Co oznacza (w uproszczeniu)
Southern Oscillation Index (SOI, Wskaźnik Oscylacji Południowej)	różnica ciśnień między Darwin i Tahiti.	ujemny: El Nino dodatni: La Nina
NOAA Oceanic Nino Index (ONI, Oceaniczny Wskaźnik El Niño NOAA)	anomalia temperatury powierzchni morza w obszarze Niño 3.4 (współrzędne 5°N-5°S, 170°W-120°W)	ujemny: La Nina dodatni: El Nino
JMA ENSO Index (JMA, Wskaźnik ENSO Japońskiej Organizacji Meteorologicznej)	anomalia temperatury powierzchni morza w obszarze Niño 3 (współrzędne 4°N-4°S, 150°W-90°W)	ujemny: La Nina dodatni: El Nino
Multivariate ENSO Index v2. (MEI, Wielowymiarowy wskaźnik ENSO, wersja 2)	pogoda nad międzyzwrotnikowym obszarem Pacyfiku: temperatury powietrza i powierzchni morza, ciśnienia na poziomie morza, składowe wiatru i strumieniowanie promieniowania podczerwonego uciekającego w kosmos	ujemny: La Nina dodatni: El Nino

Dzięki wprowadzeniu wskaźników, można przedstawić oscylację południową na wykresie, na przykład:

Jak można zauważyć, poszczególne fazy oscylacji południowej nie występują w żadnym regularnym cyklu. Rozwijają się w wyniku do pewnego stopnia przypadkowego współdziałania wielu czynników. Kiedy uruchomimy model systemu ziemskiego (złożony model numeryczny zawierający równania opisujące ruch powietrza, wody w oceanie i wiele innych parametrów), to El Niño i La Niña będą się co jakiś czas po prostu pojawiać w naszej symulacji, podobnie jak huragany w tropikach lub wędrujące niże w umiarkowanych szerokościach geograficznych. Nie ma tu żadnej tajemniczej siły, jedynie występujący co jakiś czas sprzyjający zbieg okoliczności – odpowiedni rozkład ciśnień, temperatury itd. na powierzchni Ziemi (An i in., 2020). Ponieważ jednak jednakowe fazy ENSO powtarzają się co 2 do 7 lat, czasami ENSO określa się terminem kwazi-oscylacja.

2. Jak powstają El Niño i La Niña?

El Niño i La Niña to zjawiska występujące dzięki powiązaniu procesów zachodzących w atmosferze i oceanie.

W okolicach ziemskiego równika mamy do czynienia z silną konwekcją – wznoszeniem się nagrzanego od powierzchni Ziemi, wilgotnego powietrza do góry. W jego miejsce napływa powietrze ze zwrotników (wiatry związane z tym napływem nazywamy pasatami). Ponieważ jednak nasza planeta stale obraca się w kierunku wschodnim, powietrze nie płynie wzdłuż południków. Można powiedzieć, że „zostaje w tyle” za powierzchnią Ziemi. Z naszego (obserwatorów na powierzchni) punktu widzenia wygląda to tak, jakby skręcało na zachód.

W rezultacie nad Oceanem Spokojnym powstaje tzw. „komórka Walkera”, czyli układ obejmujący przepływ powietrza od Ameryki Południowej w stronę Azji i Australii, strefę konwekcji (wznoszenia się ciepłego i wilgotnego powietrza) z silnymi opadam nad Papuą, Indonezją itd., przepływ powietrza na wschód, w wyższych partiach atmosfery i strefę osiadania powietrza po wschodniej stronie Pacyfiku.

Wiatry wiejące w tym układzie popychają wodę oceaniczną na zachód, tworząc miejsce dla wód głębinowych wypływających na powierzchnię u wybrzeży Ameryki Południowej. Jednocześnie wspomagają powstawanie pomiędzy Azją i Australią plamy bardzo ciepłej wody (ang. Pacific warm pool, „pacyficzny ciepły obszar”), od której tak skutecznie nagrzewa się powietrze we wspomnianej strefie konwekcji (McPhaden i in., 2020).

Silniejsze pasaty – La Niña

Od czasu do czasu pasaty nasilają się. Woda w Oceanie Spokojnym jest wtedy szybciej przepychana od wybrzeży Ameryki Południowej w stronę Azji i Australii. Oznacza to, że ma mniej czasu na to, by ogrzać się od promieni Słońca. Woda wypływająca z głębi oceanu u wybrzeży Peru jest stosunkowo chłodna, na powierzchni powstaje więc chłodna plama (obszar ujemnej anomalii temperatury). Jednocześnie plama ciepła przesuwa się bardziej na zachód, w pobliże Indonezji i Filipin. Tak powstaje La Niña.

Słabsze pasaty – El Niño

El Niño to z kolei efekt osłabienia pasatów. Wolniejsze wiatry słabiej radzą sobie z popychaniem wody na zachód, ma więc ona dużo czasu, by swobodnie się nagrzewać. Powierzchnia oceanu na środkowym Pacyfiku robi się w związku z tym cieplejsza niż zwykle. Już tam jest wystarczająco ciepła, by jej parowanie prowadziło do powstania strefy konwekcji z rozbudowanymi chmurami i silnymi opadami. Skoro tu powietrze się wznosi, gdzie indziej musi opadać – np. nad Papuą, Indonezją itd. (patrz rysunek poniżej).

3. Co oznaczają El Niño i La Niña dla pogody?

Pojawienie się na powierzchni oceanu wielkiego obszaru cieplejszej lub chłodniejszej niż przeciętnie wody wpływa na to, jak bardzo powietrze w tym regionie może się ogrzewać od wód powierzchniowych oraz jak intensywne będzie parowanie, czyli ile pary wodnej się do niego dostanie. Zmiany ogrzewania i zasilania w parę atmosfery na tak dużym obszarze odbijają się na całej cyrkulacji atmosferycznej (czyli układzie wiatrów oraz prądów wstępujących i zstępujących) nad Pacyfikiem i nad okolicznymi lądami. Efekty zależą od pory roku – należy pamiętać, że wraz z pozorną wędrówką Słońca od zwrotnika do zwrotnika, przesuwa się także równikowa strefa konwekcji. W niskich szerokościach geograficznych oznacza to zmianę pory suchej na deszczową lub na odwrót.

Lokalne efekty El Niño i La Niña

Jak wynika z poprzedniego podpunktu, zmiana fazy ENSO skutkuje przede wszystkim przesuwaniem się strefy intensywnej konwekcji i opadów, która:

• w fazie neutralnej znajduje się nad „pacyficznym ciepłym obszarem” między Azją i Australią,
• w fazie La Niña znajduje się w podobnym miejscu, ale konwekcja i opady są nad nią wtedy silniejsze,
• w fazie El Niño przesuwa się na wschód, na środek Oceanu Spokojnego.

Gdy w jednych miejscach mamy więcej deszczu niż zwykle, w innych spada go mniej. Podczas El Niño susze i pożary nawiedzają Indonezję i jej okolice. Szczególnie suche warunki występują także nad Amazonią (grudzień – luty) i Ameryką Centralną (czerwiec – sierpień). Przykładowo, ocenia się, że wystąpienie ciepłej fazy ENSO w sezonie 2015/16 zwiększyło globalną powierzchnię spustoszoną przez pożary o ok. 4% (najsilniejszy efekt wystąpił w Ameryce Południowej, gdzie wypalony obszar wzrósł o 13%) a związane z ogniem emisje węgla o 5% (Burton i in., 2020).

ENSO wpływa także na pogodę w umiarkowanych szerokościach półkuli północnej. Ten efekt jest zauważalny głównie zimą: północno-zachodnie wybrzeże Ameryki Północnej doświadcza podczas El Niño warunków cieplejszych a podczas La Niña chłodniejszych niż zwykle (Taschetto i in., 2020).

Europa znajduje się niemal dokładnie po drugiej stronie globu niż obszar występowania ENSO, dlatego jego wpływ na pogodę na naszym kontynencie jest niewielki. Zimą El Niño może sprzyjać występowaniu podwyższonego ciśnienia nad Skandynawią, obniżonego ciśnienia i zwiększonych opadów nad Europą środkowo-zachodnią, silnych mrozów na północy kontynentu oraz przesunięciu szlaków wędrówki niżów na północ. La Niña może z kolei osłabiać niże wędrujące znad Atlantyku. Na razie nie ma jednak jednoznacznego wyjaśnienia mechanizmu tych zjawisk (Taschetto i in., 2020).

El Niño i La Niña a temperatura globalna

Anomalia temperatury podczas El Niño i La Niña obejmuje na tyle duży obszar, że ma istotne znaczenie dla średniej temperatury powietrza na całym globie – najpopularniejszego wskaźnika mówiącego nam o stanie klimatu. Zmiany faz ENSO nie oznaczają, że w systemie klimatycznym przybywa lub ubywa energii. Wiążą się jednak z jej przepływami wewnątrz systemu. Podczas El Niño dodatkowa porcja energii przepływa z oceanu do atmosfery, co podnosi temperaturę powietrza i sprawia, że na podstawie jej pomiarów określimy rok jako wyjątkowo (może nawet rekordowo) ciepły. Podczas La Niña powietrze podgrzewane jest słabiej, albo wręcz oddaje ciepło oceanowi.

Spoglądając na powyższy wykres anomalii temperatury w kolejnych miesiącach, można zauważyć, że oprócz długoterminowego trendu wzrostu średniej temperatury obserwujemy też krótkoterminowe jej fluktuacje. Na wykresie różnymi kolorami oznaczono miesiące, podczas których występowały poszczególne fazy ENSO. Okazuje się, że okresy El Niño często zbiegają się z okresami wzrostu a La Niña – spadku temperatury. Wystąpienie El Niño zwiększa też prawdopodobieństwo, że konkretny rok będzie rekordowo gorący, „podbijając” średnią temperaturę o nawet 0,1°C.

ENSO ma także znaczenie dla globalnego cyklu węgla. W latach ciepłych epizodów (El Niño) wzrost stężenia atmosferycznego CO₂ jest większy niż wynikałoby jedynie z emisji antropogenicznych, a w latach zimnych epizodów (La Niña) wolniejszy. Tłumaczone jest to zmianami opadów wpływających na zmianę biomasy puszcz tropikalnych, szczególnie w Amazonii (Bousquet i inni, 2000).

4. Jak prognozujemy El Niño?

Występowanie El Niño ma istotne znaczenie dla rolników, rybaków, służb odpowiedzialnych za zwalczanie pożarów itp., dlatego już od lat siedemdziesiątych XX w. trwają wysiłki mające na celu skuteczne prognozowanie jego wystąpienia. Niestety jest to bardzo trudne wyzwanie. Zjawiska El Niño i La Niña powstają i trwają przez kilka czy kilkanaście miesięcy. To okres zbyt długi, by można było je prognozować z użyciem tych samych rozwiązań, co w przypadku pogody, a zbyt krótki, by dobrze sprawdziło się podejście typowe dla projekcji klimatu (o tym, czym się różnią, przeczytaj w tekście Wirtualny klimat).

Ogólnie rzecz biorąc podejścia służące do przewidywania zmian faz ENSO można podzielić na trzy rodzaje:

1. Metody statystyczne, w których wykorzystuje się wiedzę o tym, jakie warunki (np. temperatury w odpowiednio długim okresie nad konkretnym regionem) poprzedzały wystąpienie El Niño w przeszłości. Nie próbuje się tu opisać fizycznego mechanizmu zjawiska, a jedynie wychwycić statystyczną korelację pomiędzy pojawieniem się El Niño a różnymi obserwowanymi rutynowo parametrami. Współcześnie w poszukiwaniu takich zależności pomagają sieci neuronowe i inne uczące się algorytmy (tzw. sztuczna inteligencja).

2. Modelowanie dynamiczne, w którym zjawiska zachodzące w oceanie i atmosferze opisuje się za pomocą praw fizyki i parametryzacji, np. wywodzących się z zasad dynamiki Newtona równań ruchu dla poszczególnych objętości wody i powietrza, zasady zachowania energii, równania hydrostatyki itd. Przypomina to prognozowanie pogody i klimatu.

3. Podejście hybrydowe, w którym zachowanie wody w oceanie opisujemy za pomocą równań, a o tym, co się dzieje w atmosferze, wnioskujemy na podstawie metod statystycznych. Czyli gdy z wyników obliczeń wychodzi nam, że jakaś część oceanu się rozgrzeje, to następnie wnioskujemy, że rozgrzeje się także powietrze ponad nią, bo zwykle dotąd tak było.

W ostatnich latach dominuje podejście drugie, czyli oparte na fizycznym opisie zjawisk w oceanie i atmosferze. Badania wskazują, że prognozy wykorzystujące takie modele te radzą sobie z przewidywaniem El Niño trochę lepiej niż statystyczne, a rozwiązania hybrydowe zostały zarzucone (L’Heureux i inni, 2020). Podobnie jak w przypadku innych prognoz, przy przewidywaniu ENSO przeprowadza się obecnie obliczenia w wielu wersjach (dla nieco różnych warunków początkowych, albo nawet z użyciem różnych modeli), by na koniec przedstawić zakres sytuacji, jakie mogą wystąpić w kolejnych miesiącach, z określeniem prawdopodobieństwa rozwinięcia się El Niño lub La Niña. Modele wyraźnie lepiej radzą sobie z przewidywaniem epizodów silnych niż słabych anomalii temperatury (L’Heureux i inni, 2020). Nadal jednak występuje zjawisko „bariery wiosny”, oznaczające, że nim nadejdzie wiosna, trudno jest przewidzieć choćby znak ENSO w późnych miesiącach danego roku (Levine i McPhaden, 2015).

5. Jak zmiana klimatu wpłynie na ENSO?

W związku z gromadzeniem się w atmosferze coraz większych ilości gazów cieplarnianych, bilans energetyczny Ziemi zostaje zaburzony i na powierzchni planety (głównie w oceanie) gromadzi się coraz więcej energii, a średnia temperatura powierzchniowej warstwy oceanu rośnie. Jednocześnie topnienie lądolodów powoduje spływy słodkiej wody do oceanu. Te i inne zjawiska mogą prowadzić do zmian w cyrkulacji termohalinowej, można się więc spodziewać także zmian w występowaniu lub charakterystykach El Niño i La Niña. Na razie nie jest jednak oczywiste, jak będą one wyglądać.

Jak opisaliśmy wcześniej, zmiany faz oscylacji ENSO identyfikuje się najczęściej, patrząc na anomalie temperatury powierzchni oceanu. Niestety, jeśli weźmiemy pod uwagę tylko ten wskaźnik, projekcje modeli klimatu okazują się niejednoznaczne – niektóre przewidują silniejszą zmienność temperatury powierzchni Oceanu Spokojnego, inne słabszą, jeszcze inne – brak istotnych zmian. Jeśli jednak zwrócimy uwagę na ogół mechanizmów i zjawisk związanych z ENSO (nie tylko na wartość wskaźników opartych na temperaturze, lecz także innych, np. opadów), obraz robi się jaśniejszy. Okazuje się na przykład, że modele zgodnie przewidują wzrost opadów sterowanych fazami ENSO, a także nasilone ocieplenie w okolicach równika i osłabienie cyrkulacji w komórce Walkera. Te zmiany z kolei zwiększają prawdopodobieństwo występowania ekstremalnie silnych epizodów El Niño (pisaliśmy o tym już w tekście Silne El Niño dwa razy częstsze?), na co wskazują wyniki obliczeń z użyciem tych modeli, które dobrze oddają nieliniowe związki pomiędzy zmianami temperatury oceanu a zachowaniem atmosfery. Szybsze w porównaniu z okolicznym oceanem nagrzewanie się regionu Azji Południowo Wschodniej powinno także przynieść częstsze występowanie ekstremalnych zjawisk La Niña. Wszystkie te przewidywania są jednak wciąż obciążone sporymi niepewnościami (Cai i in., 2020).

Aleksandra Kardaś, konsultacja merytoryczna prof. Jacek Piskozub.