Ein Phänomen im Pazifik beschäftigt Klimaforschende weltweit: Während die globale Erwärmung voranschreitet und die Temperaturen fast überall auf der Welt steigen, haben sich der östliche tropische Pazifik und der pazifische Teil des Südlichen Ozeans in den vergangenen 45 Jahren abgekühlt. Dieses Merkmal wird von traditionellen Klimamodellen, wie sie in der internationalen Vergleichsstudie „Coupled Model Intercomparison Project (CMIP)“ verwendet werden, und deren Ergebnisse in die Berichte des Weltklimarates IPCC einfließen, nicht erfasst. Obwohl die Klimaforschungsgemeinschaft eine Reihe von Hypothesen aufgestellt hat, fehlte bislang eine stichhaltige Erklärung für das beobachtete Muster.
Das Muster der Meeresoberflächentemperaturen (sea surface temperatures, SST) im tropischen Pazifik beeinflusst nicht nur das regionale Klima, sondern auch das Ausmaß der globalen Erwärmung insgesamt. Das Unvermögen, den historischen Trend zu reproduzieren, hat deshalb Fragen zur Zuverlässigkeit von globalen Klimaprognosen aufgeworfen – ganz zu schweigen von Prognosen zum regionalen Muster der Erwärmung, welche für Klimaanpassungsmaßnahmen entscheidend sind. Somit identifizierte das Weltklimaforschungsprogramm WCRP das „Pazifik-Rätsel“ als eine der drängendsten Herausforderungen der Klimawissenschaft.
Forschende des Max-Planck-Instituts für Meteorologie (MPI-M) haben kürzlich einen Meilenstein erreicht, der eine Lösung in greifbare Nähe rückt. Mithilfe eines Klimamodells, dessen beispiellose Auflösung von 5 km im Ozean und 10 km in der Atmosphäre es erlaubt, grundlegende Prozesse physikalisch besser darzustellen, gelang es ihnen erstmals, das beobachtete SST-Muster im Pazifik erfolgreich zu reproduzieren. Das von MPI-M-Direktorin Sarah Kang geleitete Team lieferte auch eine fundierte Erklärung der physikalischen Mechanismen, die für die beobachtete Abkühlung verantwortlich sind. „Es war ein fantastisches, effizientes Gemeinschaftsprojekt zwischen Modellierer*innen, Atmosphärenforschenden und Ozeanograf*innen, und das Ergebnis ist herausragend“, so Kang.
Wirbel entscheidend für die Darstellung der Abkühlung im Südlichen Ozean
Mesoskalige Ozeanwirbel, also mit einer Größe von einigen zehn Kilometern, sind im Südlichen Ozean allgegenwärtig und spielen eine Schlüsselrolle beim Transport von Wärme in Richtung des Pols. Sie werden in den gröber aufgelösten CMIP-Modellen jedoch nicht dargestellt. Das ICON-Modell mit einer Gitterweite von 5 km im Ozean, das in der Studie verwendet wurde, enthält diese Prozesse explizit. Unter der Meeresoberfläche transportieren die Wirbel Wärme in Richtung des Pols über den Antarktischen Zirkumpolarstrom (ACC) hinweg, welcher den Pazifik vom Südlichen Ozean trennt. Die Simulation zeigt, dass sich dieser polwärts gerichtete, durch Wirbel bewirkte Wärmetransport über den ACC abschwächt, wenn der Südliche Ozean einer sich erwärmenden Atmosphäre ausgesetzt ist. Gleichzeitig wird die von der Atmosphäre zugeführte überschüssige Wärme durch den ACC umgehend in andere Ozeanbecken geleitet. Letztlich bewirkt dieses dynamische Zusammenspiel, dass sich die oberen 2000 m des Wassers im pazifischen Sektor des Südlichen Ozeans abkühlen und dass sich der ACC nach Norden verlagert, wodurch sich die von polaren Gewässern bedeckte Meeresfläche ausdehnt.
Die Abkühlung wird über den Ozean und die Atmosphäre vom Südlichen Ozean schließlich an den subtropischen Pazifik weitergegeben und verstärkt eine bestehende Hochdruckanomalie vor der südamerikanischen Küste. Infolgedessen intensivieren sich die von dort in Richtung Äquator wehenden südöstlichen Passatwinde, was die Meeresoberfläche durch Verdunstung abkühlt und niedrige Stratocumulus-Wolken erzeugt, welche die einfallende Sonnenstrahlung reflektieren. Das verstärkt die Abkühlung weiter.
Ausreichend starke Wolkenrückkopplung
Diese Wolkenrückkopplung ist nur in wenigen CMIP-Modellen stark genug. In ICON ist sie ausreichend stark, um die Abkühlung des östlichen tropischen Pazifiks auf ein realistisches Ausmaß zu verstärken. Dabei erlaubt die feinere Gitterstruktur von ICON größere Amplituden im Vergleich zu gröberen Gittern, bei denen die Werte über einen größeren Bereich gemittelt werden. Darüber hinaus ist die Topografie der südamerikanischen Anden in ICON genauer dargestellt, sodass das Modell besser simuliert, wie das Gebirge das kühle Meer von östlichen, vom Amazonas-Gebiet kommenden Luftströmen abschirmt und auch die Windsysteme an der Küste besser darstellt. All dies trägt dazu bei, die Bildung niedriger Wolken im Modell zu unterstützen.
Dass ein hochauflösendes Modell wie ICON einen wesentlichen Beitrag zur Lösung des Pazifik-Rätsels leisten würde, hatten die Forschenden erwartet, da die Darstellung mesoskaliger Ozeanwirbel und die Wolkenrückkopplung eine so wichtige Rolle spielen. Eine solche hochauflösende Simulation dann auch technisch umzusetzen, ist durch EU-Projekte wie European Eddy-Rich Earth System Models (EERIE) und Next Generation Earth Model Systems (nextGEMS) sowie das vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt geförderte Projekt WarmWorld möglich geworden.
„Hochauflösende Modellierung ist zwar nicht die eine Lösung für alles, aber sie deckt einen Mechanismus auf, der bisher nicht zugänglich war und aus Prozessen resultiert, die in CMIP-Modellen nicht explizit dargestellt werden“, sagt Sarah Kang. Den Autor*innen zufolge besteht der nächste Schritt darin, zu ermitteln, welche Merkmale des ICON-Modells diese Verbesserung bewirken und ob sie neue Erkenntnisse für Zukunftsprognosen liefern.
Max-Planck-Institut für Meteorologie
Originalpublikation:
S.M. Kang, D.A. Putrasahan, N.G. Brizuela, H. Haak, J. Kröger, J. Marotzke, B. Stevens, & J. von Storch (2026): Km-scale coupled simulation and model–observation SST trend discrepancy, PNAS 123 (8) e2522161123, https://doi.org/10.1073/pnas.2522161123
