El Niño - Physik - Universität Regensburg

Universität Regensburg
Seminar Klima und Wetter
Wintersemester 09/10
El Niño
13.11.2009
Christina Quest
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Inhaltsangabe
1. Einleitung………………………………………………………………………………3
2. ENSO……………………………………………………………………………….….3
3. Entstehung……………………………………..………………………………………5
4. Fernwirkung……………………………………………………………………………7
5. Messung……………………………………………………………..…………………8
6. Rekonstruktion früherer El Niños……………...………………………………………9
7. Folgen für Natur und Wirtschaft…………………………………...…………………10
8. El Niño im Klimawandel ……………………………………………….……………10
9. Fazit………………………………………………………………..…………………11
10. Literaturliste…………………………………………………….……………………12
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1. Einleitung
Bei El Niño handelt es sich um ein Klimaphänomen im äquatorialen, pazifischen Raum.
Während eines El Niños erwärmt sich der zentrale und östliche Pazifik und die
Niederschlagsmengen in den angrenzenden Regionen ändern sich. Dies passiert
durchschnittlich alle vier Jahre.
Der Name El Niño, was auf spanisch Christkind bedeutet, stammt von peruanischen Fischern,
die in der Weihnachtszeit eine Erwärmung des sonst kalten Küstenwassers bemerkten.
Da der Pazifik der größte Ozean unseres Planeten ist, hat eine Änderung der dortigen
Wetterlage auch Konsequenzen über den pazifischen Raum hinaus. Da ein El Niño eine
Änderung der üblichen Witterungsverhältnisse darstellt, richtet er regelmäßig große Schäden
in Natur und Wirtschaft an.
Man geht davon aus, dass es El Niños bereits seit ca. 40000 Jahren gibt. Heutzutage ist es vor
allem von Interesse El Niños vorherzusagen und herauszufinden, wie sich dieses Phänomen
unter dem Klimawandel entwickeln wird.
2. ENSO
Der Name El Niño ist heutzutage nur noch in der Umgangssprache gebräuchlich, in der
Wissenschaft spricht man von ENSO. Diese Abkürzung steht für „El Niño Soutern
Oscillation“. Es handelt sich um ein Phänomen, in dem eine Kopplung zwischen Atmosphäre
und Ozen besteht. El Niño bezeichnet dabei die Veränderungen im Meer, während die
Soutern Oscillation die Vorgänge in der Atmosphäre beschreibt. Korrekt müsste man einen El
Niño also als ENSO-Warmphase bezeichnen. Im folgenden werde ich mit dem Begriff “ El
Niño“ jedoch weiterhin das gesamte, gekoppelte System bezeichnen.
Die Soutern Oscillation ist eine Luftdruckschwankung im westlichen Pazifik, die zwischen
Tahiti (Insel im mittleren Pazifik) und Darwin (Norden Australiens) gemessen wird. Ihr
genauer Wert wird mit dem Soutern-Oscillation-Index festgelegt:
∆P − ∆Pmittel
S ∆P
Mit der Differenz der beiden über den betrachteten Monat gemittelten Werte ∆P, dem
über die vorhergegangen Jahre über diesen Monat gemittelten Wert ∆P mittel und der
Standartabweichung S ∆P
SOI = 10
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Abb.1: Aktueller SOI
Diese Oszillation wurde 1923 von dem Briten Sir Gilbert Walker entdeckt, der sich mit den
gelegentlich ausbleibenden Monsunregen in Indien beschäftigte.
Es gibt auch ein kaltes Gegenstück zu El Niño: La Niña bzw. eine ENSO-Kaltphase. Es tritt
meistens im Anschluss ein einen El Niño auf. Da La Niña aber nur eine Verstärkung der
bereits herrschenden Verhältnisse, also eine weitere Abkühlung des bereits kalten Ostpazifiks,
eine Verstärkung der Niederschläge in bereits feuchten Gebieten und Trockenheit in
niederschlagsarmen Gebieten, ist, wird ihr insgesamt weniger Aufmerksamkeit geschenkt.
Allerdings kann auch ein stark ausgeprägtes La Niña Ereignis schwere Folgen haben.
El Niños treten durchschnittlich alle vier Jahre auf, allerdings schwanken die genauen
Abstände zwischen drei und acht Jahren, was, wie später noch gezeigt, in den Theorien
Probleme bereitet. Er dauert dann zwischen 6 und 18 Monaten.
Es gibt noch eine weitere Oszillation, die pazifische dekadische Oszillation. Ihre
durchschnittliche Periode beträgt ca. 25 Jahre, aber auch hier treten wieder unterschiedliche
Abstände zwischen 15 und 70 Jahren auf. Je nachdem ob sich diese Oszillation gerade in
einer Warm- bzw. Kaltphase befindet, treten vermehrt starke El Niños bzw. La Niñas auf.
Um die Veränderungen im Meer während eines El Niños festlegen zu können, unterteilt man
den Pazifik in 4 Gebiete. Zone 1 befindet sich vor der Küste Perus, Zone 2 zwischen den
Galapagosinseln und Ecuador, die Zonen 3 und 4 liegen hingegen schon im offenen Pazifik,
die Zone 3 im östlichen und die Zone 4 im mittleren. Früher wurden nur Wassererwärmungen
in den Zonen 1 und 2 als El Niños bezeichnet, inzwischen wird aber auch schon bei einer
nicht bis an die Küste reichenden Erwärmung des Pazifiks von einem El Niño gesprochen.
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Abb.2: El Niño-Index Zonen mit ihren Fernwirkungen; durchgezogene Linien
bedeuten Feuchtigkeit, gestrichelte Trockenheit
Während eines El Niños ändern sich auch die Wetterverhältnisse auf den Landmassen, die
direkt an Meeresregionen mit veränderten Verhältnissen angrenzen. In den ansonsten
trockenen Ländern Peru und Chile sowie auf den Inseln im zentralen bis östlichem Pazifik
erhöhen sich die Niederschlagsmengen deutlich, wohingegen der Regen auf den westlichen
Inseln, in Indonesien und Australien ausbleibt.
Im letzten Jahrhundert waren die beiden stärksten El Niños in den Jahren 1982/83 und
1997/98. In diesem Jahrhundert gab es noch keine größere ENSO-Warmphase.
3. Entstehung
Um die Änderungen während eines ENSO-Ereignisses feststellen zu können, ist es
notwendig, erst einmal den Normalzustand näher zu betrachten.
Am Äquator bildet sich in der Atmosphäre die sogenannte Walkerzirkulation aus. Über dem
warmen Wasser im Westen steigen feuchte Luftmassen auf, die nach Osten wandern und dort
wieder absinken, weswegen die Ostküste Südamerikas sehr trocken ist. In Oberflächennähe
über dem Wasser wehen Westwinde. Im Osten befindet sich ein sehr ortfestes
Hochdruckgebiet, im Westen ein Tiefdruckgebiet.
Die durch die Corioliskraft nach Osten abgelenkten Passate schieben Wassermassen nach
Westen, wodurch sich ein Höhenunterschied der Meeresoberfläche an den Ozeanrändern von
etwa 80cm ergibt, da das warme Wasser im Westen gestaut wird. Im Osten steigt kaltes
Tiefenwasser auf, die Thermokline, die die Schichtgrenze zwischen warmem
Oberflächenwasser und kaltem Tiefenwasser bezeichnet, liegt nur bei ca. 50m Tiefe. Im
Westen hingegen liegt sie bei ca. 200m.
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Abb.3: Normale Walkerzirkulation
Während eines El Niños erwärmt sich der östliche Pazifik um bis zu 8°C und der
Tiefenwasseraufstieg stoppt. In der Atmosphäre dreht sich die Walkerzirkulation um.
Die Theorie, die die Entstehung eines El Niños am besten beschreibt, ist die des Delayed
Oscillators. Diese beschreibt, wie der Name schon sagt, eine rückgekoppelte Oszillation, die
unter anderem das aufeinanderfolgende Auftreten von El Niños und La Niñas erklärt.
Im Westen lösen sich nach Osten laufende Kelvinwellen, die etwa zwei Monate benötigen um
den Pazifik zu durchlaufen. Sie bewegen sich im Oberflächenwasser über der Thermokline
fort und transportieren das sich im zuvor im Westen angestaute warme Wasser mit sich,
wodurch die Thermokline nach Osten hin abgesenkt wird. Die Kelvinwellen werden an der
Ostküste reflektiert und laufen nun als sogenannte Rossbywellen wieder zurück nach Westen,
wofür sie ca. sechs Monate benötigen. Dort erfolgt eine erneute Reflexion, und sie laufen
wieder als Kelvinwellen zurück, wobei sie diesmal allerdings eine ENSO-Kaltphase auslösen.
Das Hochdruckgebiet im Ostpazifik ist zu Beginn eines El Niño geschwächt, weswegen auch
die Passate abschwächen. Dadurch wird weniger Wasser nach Westen geschoben, was weitere
Kelvinwellen begünstigt. Es steigt aufgrund der abgesenkten Thermokline kein Tiefenwasser
mehr im Osten auf und der Temperaturunterschied zwischen den Küsten gleicht sich an, was
die Passate weiter schwächt. Dies führt schließlich dazu, das sich die Walkerzirkulation
umdreht und sich das Hoch- und Tiefdruckgebiet verschieben.
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Abb.4: Zirkulation während El Niño
In dieser Theorie sind allerdings noch einige Probleme ungelöst. Zum einen ist noch nicht
geklärt, was das genau einen El Niño auslöst bzw. weswegen das Hochdruckgebiet
geschwächt ist. Auch ist im diesen Modell nicht die Periodizitätsschwankung zwischen El
Niños erklärt, genauso wenig wie ihr Auftreten zu einer bestimmten Jahreszeit.
Man geht heutzutage davon aus, dass es sich um ein chaotisches System handelt, in dem der
Pazifik Wärme speichert und schließlich das System durch einen äußeren Auslöser zum
kippen gebracht wird und sich ein El Niño zu entwickeln beginnt, indem die im Wasser
gespeicherte Wärme wieder in die Atmosphäre abgegeben wird.
4. Fernwirkung
Anders als bei den direkt an den Pazifik angrenzenden Landmassen, bei denen während eines
El Niño die Veränderung in den Niederschlägen immer zu beobachten ist, kann man bei
weiter entfernt liegenden Gebieten nur noch von erhöhten Wahrscheinlichkeiten bei den
Niederschlagsänderungen sprechen, da hier auch noch viele weitere Einflüsse in die
Wetterlagen mit einfließen.
Durch die veränderte Lage des Hoch- und Tiefdrucksgebiet werden große Teile der globalen
Zirkulation beeinflusst. Zum einen blockieren die verschobenen Druckgebiete andere
Windzirkulationen, die so nicht zu ihren sonst üblichen Wirkungsgebieten vordringen können.
Durch das Hochdruckgebiet wird vor allem die Atmosphärenzirkulation im Indischen Ozean
stark gestört, was Folgen für Indien und den Osten Afrikas mit sich bringt. Der Subtropische
Jetstream verläuft während eines El Niños ebenfalls weiter südlich als gewöhnlich.
Es sind neben dem Pazifischen Raum hauptsächlich noch Nordamerika, der Osten
Südamerikas und Afrika von den Folgen eines El Niños betroffen.
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Abb.5: Globale Wetterlage während El Niño
Der Winter in Kanada und dem Süden der USA verläuft recht mild, im Süden fallen hingegen
ungewöhnlich viele Niederschläge.
In Brasilen herrscht Trockenheit und im südlichen Teil Südamerikas ist es regnerisch.
In Afrika ist hingegen der Süden trocken, während in äquatorialen Breiten der Niederschlag
zunimmt.
Im Süden Asiens ist es während eines El Niños wärmer als üblich.
In Europa und Nordasien kann man hingegen nicht von einem deutlichen Einfluss von El
Niño sprechen. Diese Regionen sind zu weit entfernt und es gibt zu viele weitere Einflüsse,
als dass sich hier eine klare Tendenz zu bestimmten Wetterlagen hervorheben würde.
Auch La Niña beeinflusst die globalen Wetterlagen weit über den Pazifik hinaus. Der Effekt
ist in der Regel entgegengesetzt zu El Niño, auch wenn es einzelne Regionen, beispielsweise
in Afrika, gibt, die nur von einem der beiden Ereignisse beeinflusst werden. Dies ins darauf
zurückzuführen, dass La Niña nicht zu hundert Prozent entgegengesetzt zu El Niño verläuft.
5. Messungen
Flächendeckende Luftdruck- und Temperaturdaten liegen etwa seit 1950 vor, von einigen
Regionen auch schon ab 1900.
Heutzutage wird der Zustand des Pazifiks mit dem TAO-Messnetz ermittelt. Mit dem Bau
von diesem wurde nach dem folgenschweren El Niño 82/83 begonnen, bei den aufgrund eines
im gleichen Jahr stattgefundenen Vulkanausbruchs einige der sonst üblichen Vorzeichen von
einem El Niño verschleiert waren und der darum erst sehr spät erkannt wurde.
In diesem Messnetz werden sehr viele unterschiedliche Messapparaturen benutzt:
Zum einen greift man auf zwei verschiedene Satellitentypen zurück. Der Satellit
TOPEX/Poseidon, eine Zusammenarbeit der NASA und der französischen
Raumfahrtbehörde, umkreist die Erde in 1300km Höhe und misst mittels
Mikrowellenstrahlung die Meereshöhe. Diese Messung ist bis auf 3cm genau.
Ein weiterer Satellit bestimmt die Farbe der Meeresoberfläche. Diese ist abhängig vom
Planktongehalt, der wiederum von der Temperatur abhängt, die somit indirekt bestimmt
werden kann. Der Nachteil der Satellitenmessungen ist jedoch, dass diese immer nur einen
verhältnismäßig schmalen Streifen des Ozeans bei einem Überflug abtasten können und
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insgesamt zehn Tage benötigt werden um ein komplettes Bild des Meeres zu erstellen. Dies
ist, gerade wenn man einen sich in der Entwicklung befindenden El Niño beobachten will,
recht lang.
Im Ozean gibt es ein fest verankertes Netz aus 64 Bojen, das sich von 10°S bis 10°N über die
komplette Breite des Pazifiks erstreckt. Diese Bojen des Typ ATLAS (Automated
Temperature Line Acquisition System) messen den Wind über der Meeresoberfläche, die
Luftfeuchtigkeit, Niederschlagsmenge, Lufttemperatur, Meeresoberflächentemperatur sowie
die Temperatur in 500m Tiefe. Die Daten werden an einen Satelliten gefunkt, sind also
jederzeit abrufbar.
Es gibt auch noch sechs Strömungsbojen vom Typ PROTEUS, die die gleichen Messungen
wie die ATLAS-Bojen vornehmen, zusätzlich aber noch die Meeresströmung in 500m Tiefe
messen. Um an diese Daten zu gelangen, muss die Messvorrichtung allerdings geborgen
werden, was die Messung recht umständlich gestaltet.
Darüber hinaus werden an den Inseln im Pazifik ständig die Meerespegelstände kontrolliert
und von Handelsschiffen noch zusätzliche Messsonden ausgesetzt.
6. Rekonstruktion früherer El Niños
Wenn man sich mit der Entwicklung von El Niño im Rahmen des Klimawandels beschäftigen
möchte, sind die Messdaten über eine Zeitspanne von nur hundert Jahren nicht ausreichend.
Es ist daher notwendig, sich Methoden zu überlegen, um auch El Niños vor dem Beginn
moderner Messtechnik zu identifizieren.
Zum einen ist es möglich, auf geschichtliche Quellen zurückzugreifen. Es gibt seit dem 16.
Jh. Schriftstücke der Spanier aus Südamerika, in denen von ungewöhnlichen Dürren bzw.
Überschwemmungen die Rede ist, was Rückschlüsse auf El Niño zulässt.
Deutlich weiter zurückreichende Quellen hat man aus Ägypten. Es gibt seit 622 n. Chr.
Aufzeichnungen des Pegelstandes des Nils in Kairo. Das Einzugsgebiet des Nils ist das
Äthiopische Hochland, in dem während El Niño in der Regel Dürren herrschen, wodurch ein
niedriger Nilstand auf einen El Niño hinweist.
Man hat selbstverständlich auch vom Menschen unabhängige Quellen zur Verfügung. Durch
Gletscherbohrungen kann der jährliche Zuwachs sowie die Menge und chemische
Zusammensetzung des eingelagerten Staubs bestimmt werden. Hierzu eignet sich besonders
der in Südperu gelegene Quelccayagletscher, dessen Zuwachs von der Feuchtigkeit im
Amazonasbecken abhängt, das während eines El Niño eher trocken ist.
Ähnlich kann man mit den Sedimentschichten von Flüssen an der Pazifikküste Südamerikas
verfahren. Auch diese hinterlassen, wenn sie bei einem El Niño über die Ufer treten,
charakteristische Spuren.
Mit diesen beiden Methoden kann man am weitesten in die Vergangenheit zurückblicken. Es
wurden so Hinweise auf El Niños von vor 40000 Jahren gefunden.
In Nordamerika betrachtet man hauptsächlich die Wachstumsringe von Bäumen. So können
Aussagen über die letzten 250 Jahre getroffen werden, wobei eine sehr genaue zeitliche
Skalierung von unter einem Jahr möglich ist.
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Auch im Meer finden sich Hinweise auf frühere El Niños. Mittels Korallenriffen, die
bekanntermaßen sehr empfindlich auf veränderte Wassertemperaturen reagieren, können
Aussagen über die Wassertemperatur im Ostpazifik getroffen werden. Zum einem wachsen
die Riffe in Jahren mit warmer Wassertemperatur weniger, und zum anderen speichern sie in
ihrem Kalk die chemische Zusammensetzung des Meerwassers. So kann aus den Gehalt an
Elementen wie beispielsweise Mangan oder Kadmium bzw. dem Verhältnis der
Sauerstoffisotope auf die Wassertemperatur geschlossen werden.
7. Folgen für Natur und Wirtschaft
Wie schon bei der Fernwirkung beschrieben, macht sich ein El Niño in vielen Regionen der
Erde bemerkbar. Da das im Allgemeinen eine Abweichung von den sonst vorherrschenden
Wetterlagen bedeutet, auf die weder die Natur noch der Mensch eingestellt sind, bringt so ein
Ereignis zahlreiche Schäden mit sich.
Im Ostpazifik treten vermehrt tropische Stürme auf. Diese brauchen
Wasseroberflächentemperaturen von mindestens 27°C um sich zu entwickeln, die in dieser
Region nur während El Niño vorzufinden sind. In der Karibik, die bedingt durch die
Fernwirkung kühler ist als üblich, nimmt die Zahl der Hurrikans allerdings ab.
An der Südamerikanischen Pazifikküste treten bedingt durch die starken Niederschläge die
Flüsse über die Ufer. Die Überschwemmungen in dieser Region zwangen die Ureinwohner
des Kontinents regelmäßig zur Verlegung ihrer Hauptzentren.
Im Westen des Pazifiks bereiten die Dürren hingegen Probleme. Diese führen zum einen zu
Schäden in der Viehzucht in Australien, wenn die Weiden verdörren. Zum andern breiten sich
regelmäßig starke Waldbrände aus. Während des El Niños 1997 wurden so allein auf den
westpazifischen Inseln Borneo und Sumatra 2 Mio. Hektar Regenwald vernichtet.
Auch die erhöhte Wassertemperatur bringt Schwierigkeiten mit sich. Der Planktongehalt im
Wasser ist abhängig von dessen Temperatur. Je kälter Wasser ist, desto nährstoffreicher ist es;
d.h. wenn sich in den östlichen Küstengewässern die Temperatur erhöht, schwindet die
Nahrungsgrundlage der Fische, von denen wiederum die großen Meeressäuger, die Seevögel
und auch die Fischer abhängig sind. Besonders folgenschwer war hier ein El Niño in den
frühen Siebzigern. Peru war zuvor eine der größten Fischereinationen mit einem Fang von
etwa 13 Mio. t. Während des El Niños brach dann das durch Überfischung bereits stark
strapazierte Ökosystem zusammen und der Anchovisbestand verschwand fast vollständig. Die
Fangquoten Perus brachen daraufhin auf nur noch etwas über 2 Mio. t ein. Auch die Seevögel
in der Region litten stark unter den Folgen. Ihr Bestand ging ebenfalls drastisch zurück und
hat sich auch bis heute nur auf 1/3 des ursprünglichen erholt.
Auch manche Krankheiten breiten sich während eines El Niños verstärkt aus. In solchen
Jahren steigt beispielsweise die Zahl der Malariainfizierten in Kolumbien deutlich.
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8. El Niño im Klimawandel
Da der Klimawandel Auswirkungen auf den Pazifik hat, ist davon auszugehen, dass auch
künftige El Niño Ereignisse dadurch beeinflusst sein werden.
Zunächst einmal ist es wichtig zu wissen, welchen Einfluss El Niño auf die CO 2 -Bilanz der
Erde hat. Normalerweise bindet der Ozean CO 2 , nur an den Stellen, an denen CO 2 -reiches
Tiefenwasser aufsteigt, wird CO 2 freigesetzt. Da der Tiefenwasseraufstieg vor der
südamerikanischen Küste während eines El Niños zum Erliegen kommt, sinkt in solchen
Jahren der CO 2 -Ausstoß des Pazifiks. Man schätzt, dass so während des El Niños 1997/98
700 Mio. t weniger CO 2 ausgestoßen wurden. Unter der Berücksichtigung, dass in diesem
Jahr allerdings auch durch den El Niño bedingt starke Waldbrände wüteten, fällt die
Reduktion des CO 2 -Ausstoßes aber deutlich geringer aus. Allein im Amazonasbecken
erhöhte sich die CO 2 -Emission um 200 Mio. t.
Bei den Vorhersagen, wie sich das Phänomen El Niño in Zukunft entwickeln wird, ergeben
sich einige Probleme. Da es sich bei El Niño um ein gekoppeltes System aus Ozean und
Atmosphäre handelt, hängt der genaue Verlauf von extrem vielen Parametern ab. Die
verschiedenen Rechenmodelle sind schon nicht in der Lage, den Verlauf aktueller El Niños
korrekt zu berechnen. Je nach Modell treten zu kurze Frequenzen bei der Abfolge von El
Niños auf, die Thermokline verläuft nicht in der richtigen Tiefe und auch die Luftströmungen
bereiten Probleme. Die genauesten Vorhersagen gelingen bei der Oberflächentemperatur des
Pazifiks. Es ist also extrem schwierig Hochrechnungen zu machen, da diese sehr davon
abhängen, bei welchen Parametern das betreffende Modell seinen Schwerpunkt setzt. Bei
Berechnungen für El Niños mit einem erhöhten CO 2 -Gehalt der Atmosphäre ergeben sich
zur Zeit dementsprechend auch noch keine klaren Aussagen. Eine gewisse Zahl der Modelle
sagt keine Änderung voraus, einige tendieren zu mehr La Niñas und eine kleine Mehrheit sagt
das gehäufte Auftreten von El Niños voraus.
9. Fazit
El Niño ist ein Klimaphänomen, das weit über den Pazifik hinaus starke Aufmerksamkeit
findet. Vor allem sein mögliches Verhalten im Klimawandel ist nach wie vor Gegenstand
aktueller Forschung. Da El Niño bereits heutzutage für volkswirtschaftliche Schäden in
Milliardenhöhe sorgt, wären die Schäden bei einer durch den Klimawandel bedingten
Verstärkung enorm. Im Moment ist es aufgrund der Komplexität des Phänomens aber leider
noch nicht möglich, genaue Vorhersagen zu machen.
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10. Literaturliste
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S. George Philander: El Niño, La Niña, and the Southern Oscillation; Academic Press,
Inc.; 1990
César N. Caviedes: El Niño. Klima macht Geschichte ; Primus Verlag ; 2005
Christian Eckert: Stichwort El Niño; Wilhelm Heyne Verlag München; 1998
John Marshall: Atmosphere, ocean, and climate dynamics; Amsterdam [u.a.], Elsevier
Acad. Press, 2008
Jong-Seong Kug & Soon-Il An & Yoo-Geun Ham &In-Sik Kang:
Changes in El Niño and La Niña teleconnections over North
Pacific–America in the global warming simulations;
Received: 7 July 2008 / Accepted: 30 March 2009; Springer-Verlag 2009
Gerald A. Meehl, Haiyan Teng, Grant Branstator:
Future changes of El Nin˜ o in two global coupled climate models;
Received: 30 May 2005 / Accepted: 14 November 2005 / Published online: 24
January; 2006;
Springer-Verlag 2006
G. J. van Oldenborgh1, S. Y. Philip, and M. Collins:
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