Beskrivning av fenomenet ENSO

ENSO är ett fenomen som karakteriseras av oregelbundna svängningar kring normaltillståndet för både atmosfär och hav i och över den tropiska delen av Stilla havet. För att förklara ENSO som fenomen är det därför nödvändigt att först klargöra hur det normala tillståndet i atmosfär och hav ser ut, och varför det ser ut som det gör.

Normaltillståndet

Vid det normala förhållandet vid havsytan är ett av de mest framträdande inslagen den stora skillnaden i temperatur mellan öst och väst (se figur 6).

Figur 6. Den årliga cykeln i de klimatologiska medelförhållandena hos havsytans temperatur (SST)
Figur 6. Den årliga cykeln i de klimatologiska medelförhållandena hos havsytans temperatur (SST) i den tropiska delen av Stilla Havet.
Illustration Climate Prediction Center (CPC), NCEP/NWS/NOAA. Förstora Bild

I den västra delen av den tropiska delen av Stilla havet (området kring och strax öster om Nya Guinea och Indonesien; ofta benämnt den maritima kontinenten), varierar inte havsytans temperatur särskilt mycket under året. Den är stadigt mycket hög, omkring 30°C, året runt.

Detta område är också det varmaste havsområdet på jorden, och benämns ofta ”the warm pool” (det varma området). Härifrån avtar sedan havsytans temperatur monotont mot öster och når ett minimum nära Sydamerikas kust där den som mest, under hösten, är omkring 10°C kallare än vid det varma området.

Utseendet hos fördelningen av havsytans temperatur i den östra, kallare delen av den tropiska delen av Stilla havet har gett upphov till beteckningen ”the cold tongue” (den kalla tungan), eftersom den kan liknas vid en kall tunga som sträcker ut sig mot väster. Variabiliteten under året i den östra delen är betydande, av storleksordningen 5°C, i skarp kontrast med de nästan konstanta förhållandena i området i väster, det varma området.

Uppkomst av åskmoln och kraftig nederbörd

Den normala fördelningen av havsytans temperatur är av grundläggande betydelse för att förklara fördelningen av konvektiva by- och åskmoln och den nederbörd som dessa genererar längs ekvatorn i Stilla havet.

Ju varmare underlaget är, desto mer vertikalt instabil blir atmosfären vilket i sin tur gynnar bildningen av konvektiva moln (by- åskmoln).

Tvärtom gäller att ju kallare underlaget är ju stabilare blir atmosfären, vilket motverkar bildandet av konvektiva moln (bymoln).

Figur 7. Principskiss av normalförhållandena under norra halvklotets vinter
Figur 7. Principskiss av normalförhållandena under norra halvklotets vinter i tropiska Stilla Havet och i atmosfären ovanför.
Illustration Climate Prediction Center (CPC), NCEP/NWS/NOAA. Förstora Bild

Figur 7 visar att fördelningen av bymoln och nederbörd är nära relaterade till havsytans temperatur. Där det bildas mest åskmoln och där det är kraftigast nederbörd är i det varma området kring och strax öster om den maritima kontinenten. Nästan ingen nederbörd alls faller över de östliga, relativt kallare, områdena nära Sydamerikas kust.

Fördelning av vindar och nederbörd

Fördelningen av havsytans temperatur och nederbörd är nära förbundna med vindfördelningen. På grund av den kraftiga konvektionen (hävning av luften) i området kring den maritima kontinenten får man här uppåtvindar samt lågt lufttryck vid havsytan. Det låga lufttrycket ger i sin tur upphov till att luften strömmar in mot detta område i låga skikt, vilket förklarar att det råder ostliga vindar längs ekvatorn, dvs. det blåser från Sydamerika in mot den maritima kontinenten.

För att återställa jämvikten i atmosfären uppstår en returströmning i form av västliga vindar i den övre delen av troposfären, från den maritima kontinenten österut mot Sydamerika. För att sluta detta cirkulationshjul råder nedåtvindar i de östra delarna av Stilla havet.

Detta gigantiska cirkulationssystem kring ekvatorn i Stilla havet går under namnet Walkercirkulationen (se svarta pilar i figur 7). Cirkulationen är en av de mer framstående storskaliga cirkulationerna i jordens atmosfär.
Nedåtvindarna i de östra delarna av Stilla havet motverkar kraftfullt molnbildning och därmed nederbörd. Detta är alltså en ytterligare förklaring, utöver den kalla havsytetemperaturen, till varför det är så lite nederbörd i de östra delarna av Stilla havet längs ekvatorn.

Gränszon under havsytan

Grundläggande för förhållandena under havsytan är förekomsten av en termoklin, dvs. en gränszon som skiljer det översta varma och relativt grunda ytskiktet (normalt 100-200 meter djupt), från det betydligt kallare vattnet därunder.

Figur 7 visar att termoklinen lutar markant från öst till väst. Det innebär att ytskiktet med varmt vatten är betydligt djupare i väster jämfört med vad det är i öster. Denna lutning av termoklinen orsakas av de ostliga vindar som vid havsytan normalt blåser från Sydamerika till den maritima kontinenten.

Värmetillskott i atmosfären

Fördelningen av havsytans temperatur, åskmoln och nederbörd gör att atmosfären får ett stort värmetillskott i områden där havsytans temperatur är förhöjd och nederbörden riklig.

De områden i atmosfären som har störst uppvärmning, och därmed de varmaste temperaturerna, överensstämmer normalt sett väldigt väl med områdena med den varmaste temperaturen i havsytan och den kraftigaste nederbörden.

Atmosfären ovanför den maritima kontinenten och strax öster därom får alltså i normalfallet ett mycket stort värmetillskott, som i sin tur gör att den nord-sydliga temperaturkontrasten mellan pol och ekvator på båda halvkloten förstärks.

De starkaste vindarna på jordklotet, de båda subtropiska jetströmmarna är direkt beroende av den nord-sydliga temperaturgradienten. Jetströmmarna kommer därmed att påverkas och förändras, i både styrka och läge beroende av temperaturgradienten. Denna påverkan är störst under respektive halvklots vintersäsong (se illustration i figur 8).

Figur 8. Illustration av hur position och styrka hos den subtropiska jetstömmen
Figur 8. Illustration av hur position och styrka hos den subtropiska jetstömmen under vintersäsongen på båda halvkloten beror av diabatisk uppvärmning av atmosfären som i sin tur är intimt förknippad med fördelningen av havsytetemperaturen (SST).
Illustration Climate Prediction Center (CPC), NCEP/NWS/NOAA. Förstora Bild

Avvikelser från normaltillståndet i havet – El Niño och La Niña

En El Niño eller en "Pacific warm event" (en varmare episod i Stilla Havet) karakteriseras av en period på 9-12 månader med ovanligt varmt havsytvatten, upp till 2-3°C varmare än normalt, i de östra delarna av den tropiska delen av Stilla havet, ungefär från datumlinjen till Sydamerika (se vänstra delen av figur 9).

Figur 9. Illustration av de typiska ytvattentemperaturförhållanden
Figur 9. Illustration av de typiska ytvattentemperaturförhållanden som råder under kulmen av en El Niño (vänstra bilderna) respektive en La Niña (högra bilderna). Övre bilderna visar ytvattentemperaturen medan de nedre bilderna visar ytvattentemperaturernas avvikelse från det normala (anomalier).
Illustration Climate Prediction Center (CPC), NCEP/NWS/NOAA. Förstora Bild

En La Niña eller en "Pacific cold event" (en kallare episod i Stilla Havet) karakteriseras av en period upp till flera år med ovanligt kallt havsytvatten, uppemot 1-2°C kallare än normalt, i de centrala och östliga delarna av den tropiska delen av Stilla havet (se högra delen av figur 9).

De övre bilderna i figur 9 illustrerar också en asymmetri mellan El Niño och La Niña. El Niño är kvalitativt sett en större avvikelse från normaltillståndet jämfört med en La Niña, som i stället är mer av en förstärkt variant av normaltillståndet.

De nedre bilderna i figuren, som visar avvikelser av havsytvatten-temperaturen, illustrerar även den asymmetrin mellan El Niño och La Niña då avvikelserna inte är exakta spegelbilder av varandra. En alternativ bild som råder under kulmen av en El Niño (övre bilden) respektive en La Niña (nedre bilden) visas i figur 10.

Figur 10a. Illustration av de typiska ytvattentemperaturförhållanden Illustration Earth System Research Laboratory (ESRL), NOAA. Förstora Bild
Figur 10b. Illustration av de typiska ytvattentemperaturförhållanden
Figur 10. Illustration av de typiska ytvattentemperaturförhållanden som råder under kulmen av en El Niño (övre) La Niña (nedre). Bilden visar ytvattentemperaturernas avvikelse från det normala (anomalier).
Illustration Earth System Research Laboratory (ESRL), NOAA. Förstora Bild

Såsom påpekats ovan tenderar temperaturavvikelserna från det normala att vara mindre under en La Niña jämfört med under en El Niño, men å andra sidan är varaktigheten hos en La Niña längre än hos en El Niño.

Dessa karakteristiska egenskaper framgår av figur 11 som visar tidsserien av ett ofta använt index för El Niño/La Niña – det så kallade "Oceanic Niño Index" eller ONI. En El Niño anses inträffa då ONI överstiger värdet 0,5 under fem på varandra följande månader. På motsvarande sätt anses en La Niña inträffa då ONI understiger värdet -0,5 under fem på varandra följande månader.

Figur 11. Tidsserie av ett ofta använt index för El Niño/La Niña
Figur 11. Tidsserie av ett ofta använt index för El Niño/La Niña – det så kallade Oceanic Niño Index eller ONI. En El Niño anses inträffa då ONI överstiger värdet 0.5 under fem på varandra följande månader. På motsvarande sätt anses en La Niña inträffa då ONI understiger värdet -0.5 under fem på varandra följande månader. Man kan dessutom klassificera en El Niño/La Niña såsom varande svag, måttlig, stark eller mycket stark beroende på om den någon gång under sin livscykel överstiger värdet 0.5, 1.0 1.5 eller 2.0.
Illustration Climate Prediction Center (CPC), NCEP/NWS/NOAA. Förstora Bild

Man kan dessutom klassificera en El Niño/La Niña såsom varande svag, måttlig, stark eller mycket stark beroende på om den någon gång under sin livscykel överstiger värdet 0,5, 1,0 1,5 eller 2,0. Som synes har flera mycket starka El Niño, så kallade super El Niño, inträffat medan ingen så kraftig La Niña hittills har observerats. En El Niño är alltså mer spektakulär och dramatisk jämfört med en La Niña som är mer beskedlig och, som påpekats ovan, dessutom kan beskrivas som en accentuerad variant av normaltillståndet.

En viktig egenskap hos både El Niño och La Niña - som framgår av figur 12 - är att de tenderar att nå sin kulmen omkring juletid plus/minus någon månad, dvs i november-december-januari. De brukar därför sägas vara fastlåsta till den årliga cykeln. Eftersom den typiska varaktigheten på både El Niño och La Niña är ungefär ett år betyder det att det behövs två årtal för en korrekt kronologisk benämning, t ex 1997-1998 El Niño och 1973-1974 La Niña.

Figur 12. Tidsförloppet hos Ocean Niño Index
Figur 12. Tidsförloppet hos Oceanic Niño Index – ONI - för de tre största El Niño och La Niña som förekommit sedan 1950. Notera att kulmen inträffar omkring juletid plus/minus någon månad, dvs i november-december-januari. De brukar därför sägas vara fastlåsta till den årliga cykeln. Eftersom den typiska varaktigheten på både El Niño och La Niña är ungefär ett år betyder det att det behövs två årtal för en korrekt kronologiskt benämning, t ex 1997-1998 El Niño och 1973-1974 La Niña.
Förstora Bild

 

Avvikelser från normaltillståndet i atmosfären - Southern Oscillation

De förändringar i havsytans temperatur som karakteriserar El Niño och La Niña är starkt kopplade till förändringar i den storskaliga fördelningen av lufttrycket vid havsytan. Denna svängning som går under namnet ”The Southern Oscillation” (ungefär Sydliga svängningen), förkortat SO illustreras i figur 13.

Figur 13. De båda motsatta faserna hos Southern Oscillation (SO).
Figur 13. De båda motsatta faserna hos Southern Oscillation (SO). Den vänstra bilden visar en typisk lufttrycksfördelning under den negativa fasen av SO. Den sammanfaller med El Niño och kännetecknas av onormalt högt lufttryck över den maritima kontinenten samtidigt som det är onormalt lågt lufttryck över den östra delen av den tropiska delen av Stilla havet. Den motsatta fasen av SO visas i den högra bilden. Den inträffar under La Niña med onormalt lågt lufttryck över den maritima kontinenten samtidigt som det är onormalt högt lufttryck över den östra delen av den tropiska delen av Stilla havet. Southern Oscillation är alltså en gigantisk omförflyttning av massa i atmosfären mellan de östra och västra delarna av de tropiska delarna av Stilla havet.
Illustration Climate Prediction Center (CPC), NCEP/NWS/NOAA. Förstora Bild

Den negativa fasen av SO sammanfaller med El Niño och kännetecknas av:
• onormalt högt lufttryck över den maritima kontinenten, samtidigt som det är
• onormalt lågt lufttryck över den östra delen av den tropiska delen av Stilla Havet.

Den motsatta fasen av SO inträffar under La Niña med:
• onormalt lågt lufttryck över den maritima kontinenten, samtidigt som det är
• onormalt högt lufttryck över den östra delen av den tropiska delen av Stilla Havet.

Southern Oscillation är alltså en gigantisk omförflyttning av massa (luft) i atmosfären mellan de östra och västra delarna av de tropiska delarna av Stilla havet.

Den beskrivna samvariationen mellan El Niño/La Niña och Southern Oscillation framgår tydligt av figur 14 som visar dels en tidsserie under en 30-årsperiod för ONI-indexet för El Niño/La Niña (övre bilden) dels en motsvarande tidsserie för SOI-indexet för Southern Oscillation (nedre bilden).

Figur 14. Tidsserie av Ocean Niño Index – ONI
Figur 14. Tidsserie av Oceanic Niño Index – ONI - för El Niño/La Niña (övre bilden) samt Southern Oscillation Index – SOI - för Southern Oscillation (nedre bilden).
Illustration Climate Prediction Center (CPC), NCEP/NWS/NOAA. Förstora Bild

Den kopplade havs-atmosfärs-avvikelsen från normaltillståndet – ENSO

ENSO är samlingsnamnet på det kopplade atmosfärs-havs-fenomenet där havsdelen utgörs av de avvikelser från normaltillståndet som karakteriserar en El Niño eller en La Niña, medan atmosfärsdelen utgörs av de avvikelser från normaltillståndet som är kopplade till svängningarna i Southern Oscillation.

Det är därför naturligt och helt i sin ordning att ENSO, dvs. El Niño – Southern Oscillation, fått sitt namn från både havs- och atmosfärsdelen.

Det grundläggande med ENSO är att det är ett fenomen som kännetecknas av förändringar som är starkt koordinerade mellan hav och atmosfär och där samspelet mellan hav och atmosfär är ömsesidigt beroende av varandra.

För att beteckna det tillstånd ENSO vid en given tidpunkt befinner sig i borde man logiskt sett använda ordet ENSO tillsammans med ett lämpligt adjektiv. För normaltillståndet är så också fallet, då man hänför det till ett ENSO-neutralt tillstånd. Språkbruket för de båda ytterlighetstillstånden av ENSO är dock vanligtvis El Niño och La Niña, vilket inte är helt lyckat.

Svängningarna i ENSO karakteriseras av stor oregelbundenhet. En El Niño kan lika väl följas av en La Niña som ENSO-neutral eller en ny El Niño, som framgår av tidsserierna i Figur 11 och 14.

Beskrivning av ENSO under en El Niño

Figur 15 beskriver den typiska situationen under El Niño-fasen av ENSO. Eftersom ENSO är ett kopplat fenomen kan man börja beskrivningen från många olika infallsvinklar, där alla är lika goda startpunkter.

Figur 15. Principskiss av förhållandena i tropiska Stilla Havet och i den ovanliggande atmosfären
Figur 15. Principskiss av förhållandena i tropiska Stilla Havet och i den ovanliggande atmosfären vid kulmen av en El Niño.
Illustration Climate Prediction Center (CPC), NCEP/NWS/NOAA. Förstora Bild

Om man börjar med vindförhållandena framgår av figuren att den storskaliga Walker-cirkulationen är betydligt försvagad under en El Niño, både vid havsnivån och i den övre troposfären. Under en kraftig El Niño kan den till och med försvinna helt och hållet. Försvagningen, eller den totala avsaknaden, av den ostliga passadvinden vid havsytan är starkt förknippad med förändringarna under havsytan.

Under normala förhållanden anhopas det varma vattnet vid den maritima kontinenten på grund av de ihållande ostliga vindarna. Vid en El Niño försvagas de ostliga vindarna, eller upphör helt, vilket gör det möjligt för det varma vattnet, både vid havsytan och ned genom hela ytskiktet, att breda ut sig österut.

Processen då hela det varma ytskiktet börjar breda ut sig österut, och i och med det pressar ner termoklinen, anses vara en manifestation av en vågrörelse, en så kallad Kelvin-våg. I figur 16 visas ett exempel på detta där det också framgår att den breder ut sig från den maritima kontinenten till Sydamerikas kust. Det tar flera månader för Kelvin-vågen att röra sig från den maritima kontinenten till Sydamerikas kust.

Figur 16. Ett så kallat Hovmöller diagram
Figur 16. Ett så kallat Hovmöller diagram – tid på y-axeln och rum (longitud) på x-axeln – visar hur värmeinnehållet i havets översta skikt vid ekvatorn utvecklar sig med tiden. Under andra halvåret av 2015 - då en super El Niño utvecklade sig i Stilla Havet - kan man se hur flera stora Kelvinvågor utbreder sig från väster mot öster.
Illustration Climate Prediction Center (CPC), NCEP/NWS/NOAA. Förstora Bild

Lutningen hos termoklinen blir betydligt mindre under en El Niño, och under en kraftig El Niño kan termoklinen till och med bli helt horisontell. Detta innebär att skiktet med varmt vatten i öster blir betydligt djupare än normalt. Det varma vattnet, som i normaltillståndet finns i området kring och strax öster om den maritima kontinenten, breder under en El Niño ut sig över de centrala och stora delar av den östra delen av ekvatoriella Stilla havet. Därmed kommer också de stora by- och åskmolnen med tillhörande nederbörd att röra sig österut.

Under en El Niño minskar därför nederbörden över den västra delen av tropiska Stilla havet, inklusive den maritima kontinenten och Australien, medan den ökar i framförallt den centrala, men också i den östra, delen av tropiska Stilla havet. Det är framförallt havsområden med ytvattentemperaturer som överstiger 28°C som får den största ökningen av nederbörd.

Figur 17. Exempel på nederbördsfördelningen
Figur 17. Exempel på nederbördsfördelningen under kulmen av en El Niño (vänstra bilden), samt hur avvikelserna i nederbörd under en El Niño jämfört med normaltillståndet brukar se ut (högra bilden).
Illustration Climate Prediction Center (CPC), NCEP/NWS/NOAA. Förstora Bild

Figur 17 visar hur avvikelserna i nederbörd under en El Niño jämfört med normaltillståndet brukar se ut. Den totala yta som berörs av den El Niño-relaterade avvikelsen från den normala nederbördsfördelningen sträcker sig över nästan halva jordens ekvatorialområde. Den har därmed möjlighet att påverka väderförhållandena över stora delar av jorden.

Beskrivning av ENSO under en La Niña

Figur 18 beskriver den typiska situationen under La Niña-fasen av ENSO. Om man också här börjar med vindförhållandena framgår av figuren att den storskaliga Walker-cirkulationen förstärks under en La Niña, både vid havsnivån och i den övre troposfären.

Figur 18. Principskiss av förhållandena i tropiska Stilla havet och i atmosfären
Figur 18. Principskiss av förhållandena i tropiska Stilla havet och i atmosfären ovanför vid kulmen av en La Niña.
Illustration Climate Prediction Center (CPC), NCEP/NWS/NOAA. Förstora Bild

Denna förstärkning av Walker-cirkulationen är framförallt uttalad i den östra delen av Stilla havet. Skillnaden mot normaltillståndet, figur 7, är inte särskilt stor. Det överensstämmer med synsättet att en La Niña kan ses som en förstärkt variant av normaltillståndet.

Förstärkningen av den ostliga passadvinden vid havsytan är starkt förknippad med förändringarna under havsytan. Under normala förhållanden anhopas det varma vattnet vid den maritima kontinenten på grund av de ihållande ostliga vindarna.

Vid en La Niña, med förstärkta ostliga vindar, kommer det varma vattnet att röra sig än mer västerut och koncentrera sig på ett allt mindre område. Den förstärkta ostliga vinden gör också att termoklinen blir allt brantare och i de östra delarna är den belägen mycket nära havsytan. Det innebär totalt sett en markant minskning av volymen med varmt vatten under havsytan i de östra delarna av Stilla havet. Denna avkylning är gynnsam för det marinbiologiska livet, inte minst för fiskbeståndet, då det kallare vattnet är betydligt mer näringsrikt.

I och med att det varma ytvattnet krymper ihop och drar sig allt längre västerut under en La Niña, kommer de stora by- och åskmolnen med tillhörande nederbörd att också dra sig allt längre västerut och begränsar sig till området runt Indonesien och den allra västligaste delen av Stilla havet.

Stora delar av centrala och östra Stilla havet får markant mindre nederbörd i överensstämmelse med att det där är onormalt kalla ytvattentemperaturer.

Figur 19. Exempel på nederbördsfördelningen
Figur 19. Exempel på nederbördsfördelningen under kulmen av en La Niña (vänstra bilden), samt hur avvikelserna i nederbörd under en La Niña jämfört med normaltillståndet brukar se ut (högra bilden).
Illustration Climate Prediction Center (CPC), NCEP/NWS/NOAA. Förstora Bild

Figur 19 visar hur avvikelserna i nederbörd under en La Niña jämfört med normaltillståndet brukar se ut. Den totala yta som berörs av denna La Niña-relaterade avvikelsen från den normala nederbördsfördelningen sträcker sig över nästan halva jordens ekvatorialområde, och har därmed möjlighet att påverka väderförhållandena över stora delar av jorden.

Den viktigaste lärdomen från de senaste decenniernas ENSO observationer är den mycket stora variationsrikedom som ENSO uppvisat. I realtid har man kunnat bevittna en till synes aldrig sinande ström av överraskningar i hur ENSO manifesterar sig och utvecklas med tiden. Mångfalden är slående vilket gör att sannolikheten för fler överraskningar i framtiden är hög.