19.12.2022

Maschinelles Lernen lässt Unterschiede in langfristigen Wetterkonnektivitätsmustern für verschiedene Arten von El-Niño-Ereignissen erkennen

In ihrem neuesten Artikel, der in der Fachzeitschrift Geophysical Research Letters veröffentlicht wurde, zeigen Felix Strnad und Jakob Schlör von der Cluster-Forschungsgruppe "Maschinelles Lernen in den Klimawissenschaften" anhand der Krümmung komplexer Netzwerkverbindungen, dass verschiedene El-Niño-Ereignisse im Pazifik mit unterschiedlichen globalen Konnektivitätsmustern einhergehen.

El-Niño-Ereignisse sind durch anomale Meeresoberflächentemperaturen (SST) im tropischen Pazifik gekennzeichnet. El-Niños treten in zwei verschiedenen Ausprägungen auf: Ostpazifik (OP) und Zentralpazifik (ZP) El-Niños, je nachdem, wo die wärmsten Oberflächentemperatur-Anomalien auftreten. El-Niños verändern die Strömungen und Winde in der Atmosphäre und beeinflussen damit das Wetter weltweit. Die Einflüsse von El-Niño auf teilweise weit entfernte Regionen der Erde werden als  Teleconnections bezeichnet. Diese unterscheiden sich wiederum je nachdem, ob es sich um ein OP- oder ein ZP-Ereignis handelt.

Es gibt zwar viele Studien, die die Telekonnektivität von OP- und ZP-Ereignissen für einzelne Zielregionen untersuchen, aber eine globale Analyse steht noch aus. Hier hat das Team der Forschungsgruppe Maschinelles Lernen in den Klimawissenschaften angesetzt. Ihre Studie wirft ein neues Licht auf das El-Niño-Phänomen und darauf, wie dessen weltweite Korrelationen von der jeweiligen Ausprägung abhängen, d. h. davon, ob sich sein Wirkungszentrum im Ostpazifik oder im Zentralpazifik befindet.

Was als Semesterprojekt des ehemaligen Masterstudenten Christian Fröhlich begann, entwickelte sich bald zu einer umfassenden Studie über die weltweiten Telekonnections von El-Niño-Ereignissen. Unter Verwendung des Begriffs der "Krümmung" komplexer Netzwerkverbindungen zeigte das Team, dass die Verbindungen von "Klimanetzwerken" positiv gekrümmt sind, wenn sie regional sind, und negativ gekrümmt, wenn sie über große Entfernungen wirken. Die Klimanetzwerke selbst wurden auf der Grundlage statistisch robuster Korrelationen konstruiert, die aus globalen Lufttemperatur-Daten geschätzt wurden. Die Krümmung der Verbindungen in dem Klimanetzwerk bietet eine objektive Möglichkeit, die Unterschiede in der räumlichen Struktur der Telekonnections verschiedener Arten von El-Niño-Ereignissen auf globaler Ebene zu untersuchen.

“Die Netzwerkkrümmung, insbesondere für Klimanetzwerke, ist ein intuitives und zugleich informatives Werkzeug zur Visualisierung der Topologie eines Netzwerks, das wiederum Rückschlüsse auf die räumliche Struktur von Verbindungen zulässt. Obwohl wir es zur Untersuchung des El-Niño-Phänomens verwenden, kann man diese Technik im Prinzip zur Untersuchung jedes korrelationsbasierten Ähnlichkeitsmaßes von Klimavariablen wie Niederschlag oder Luftdruck nutzen", berichtet Strnad, während er über die Leistungsfähigkeit der Klimanetzwerkkrümmung als visuelles Analyseinstrument spricht.

Interessanterweise zeigt der Zentralpazifik selbst während der ZP-El-Niño-Ereignisse nicht viele Telekonnections, was das Team auf die unterschiedliche Lage der Warmwasser-Anomalien im Zentralpazifik zurückführt. Der Ostpazifik verhält sich dagegen robuster, so dass die meisten Telekonnections beider El-Niño-Typen eine Verbindung dorthin zeigen.

"Der Einfluss von OP- und ZP-El-Nino-Ereignissen auf manche Regionen ist schon seit Anfang der 2000er bekannt. Diese Telekonnections wurden jedoch bisher einzeln untersucht. Unsere Analyse liefert ein globales Bild der Telekonnektionen und zeigt, dass OP-Ereignisse einen stärkeren Einfluss auf die Tropen haben als ZP-Ereignisse, während ZP-Ereignisse einen größeren Einfluss auf die mittleren Breiten haben. Viele Klimamodelle stellen nur einen Bruchteil der Telekonnektionen von OP und CP El-Nino-Ereignisse dar. Die Krümmung von Klimanetzen basierend auf den Modelldaten, liefert ein Maß, wie gut die Modelle die Einflüsse von OP und CP-Ereignissen beschreiben, die wir in den Satellitendaten sehen", erklärt Schlör.

Originalpublikation:

Strnad, F. M., Schlör, J., Fröhlich, C., & Goswami, B. (2022). Teleconnection patterns of different El Niño types revealed by climate network curvature. Geophysical Research Letters, 49, e2022GL098571. https://doi.org/10.1029/2022GL098571