Part I. Mike McPhaden--What We Know and Whatis Unresolved: An Observational Perspective
Part II. David Battisti--What We Know and What isUnresolved: A Theoretical and ModelingPerspective
Sleeping Lady Mountain Retreat
Leavenworth, WA
19 September 2005
ENSO Dynamics and Global Impacts(“A Benign Problem”)
 
Sleeping Lady Mountain Retreat
Leavenworth, WA
19 September 2005
Part I. What We Know andWhat is Unresolved:An Observational Perspective

Headlines.jpg                                                  000F384FMacintosh HD                   B94760C0:
1997-98 El Niño: Global Impacts Fatalities: 23,000Economic Losses: $36 Billion
El and La
reynolds_sst.gif                                               0000003BMCP_USB                        00000000:
El Niño is oftenfollowed by orpreceded by LaNiña: an unusualcooling of thetropical Pacific
Upwelling zones
Western Pacific“warm pool”
El Niño happensroughly every 2-7years, lasts 12-18months, and peaksat the end of thecalendar year

ElNino.jpg                                                     000161FE                               B8A9EEAE:
El Nino/Normal
El Nino/Normal
elnino.jpg-2                                                   00000002 SuperDisk                      B1EB8A14:
AnomalousGeostrophicDivergence
Every fewyears, thetrade windsweaken…
El Nino/Normal
AnomalousGeostrophicConvergence
Feedbacks
Ocean-Atmosphere Feedback LoopsDuring El Niño
Winds
SST
Fast PositiveFeedback Warms
EggBasket3.JPG                                                 0003D5A5Macintosh HD                   BE171228:

970092.jpg                                                     0003D5A5Macintosh HD                   BE171228:
Feedbacks
Ocean-Atmosphere Feedback LoopsDuring El Niño
Winds
SST
Fast PositiveFeedback Warms
Thermocline Depth
Slow NegativeFeedback Cools
Feedbacks
Ocean-Atmosphere Feedback LoopsDuring La Niña
Winds
SST
Fast PositiveFeedback Cools
Thermocline Depth
Slow NegativeFeedback Warms
NINO3.4 and SOI, 1980-2005
NINO-3.4
soi_nino34_nostress.gif                                        000756FFMacintosh HD                   BE171228:
Darwin
Tahiti
soi_nino34_stress.gif                                          0003D5A5Macintosh HD                   BE171228:
NINO3.4 and SOI, 1980-2005
Darwin
Tahiti
NINO-3.4
SOI and NINO3.4 Correlation=-0.9(maximum @zero lag)
soi_nino34_stress.gif                                          0003D5A5Macintosh HD                   BE171228:
NINO3.4 and SOI, 1980-2005
Darwin
Tahiti
NINO-3.4
El Niño/Southern Oscillation (ENSO):
Warm phase (El Niño) // Cold Phase (La Niña)
z20_mean_std_lg.gif                                            000756FFMacintosh HD                   BE171228:
Thermocline Depth (20°C)
Thermocline Depth (20°C)
z20_eof_lg.gif                                                 000756FFMacintosh HD                   BE171228:
Thermocline Depth (20°C)
z20_eof_lg.gif                                                 000756FFMacintosh HD                   BE171228:
z20eof_Nino34_CPwind_high.gif                                  00075882Macintosh HD                   BE171228:
 Build up of excess heatcontent along equator is anecessary precondition forEl Niño to occur.
 The time between ElNiños is determined by thetime to recharge.
 El Niño purges excessheat to higher latitudes,which terminates theevent.
Upper Ocean Heat Content and El Niño(Recharge Oscillator Theory*)
*Wyrtki, 1985; Cane et al, 1986; Jin, 1997
wwv_nino.gif                                                   0003D5A5Macintosh HD                   BE171228:
Niño3.4 SST

events.gif                                                     00053BACMacintosh HD                   BE171228:
Janowiak et al (2003)rainfall & ERS windvelocity
Reynolds et al (2003)SST & ERS windstress
sst_quik_rain_199711_144.gif                                   000756FFMacintosh HD                   BE171228:
Peak Phase, 1997
Peak Phase, 2004
Janowiak et al (2003)rainfall & Quikscatwind velocity relativeto ERS climatology
Reynolds et al (2003)SST & Quikscat windstress relative to ERSclimatology
sst_quikscat_rain_150.gif                                      0003D5A5Macintosh HD                   BE171228:
DRY
Processes Affecting Equatorial SST

westerly .jpg                                                  00053BACMacintosh HD                   BE171228:
EnhancedSurfaceHeat Fluxes
ZonalAdvection
SuppressedUpwelling
Atmospheric CirculationChanges During El Niño
world.jpg-3                                                    00000010Macintosh HD                   ABA78158:
Changes in tropicalrainfall patterns affectthe global atmosphericcirculation via“teleconnections”
mar83_33cunimb.jpg                                             00000002 SuperDisk                      B1EB8A14:
Heavyrain
Pacific-North American(PNA) Pressure Pattern
Subtropical Jet Stream in NHSplits, Southern Branch ShiftsSouth and Intensifies
Global Impacts
Impacts on Global Weather Patterns
El Niño shifts the probability of droughts, floods, heat waves, andextreme weather events in large regions of the globe.
Impacts
Tropical Storms
 El Niño tends tosuppress formation ofAtlantic hurricanes.
 El Niño tends toincrease intensity andgeographic range ofPacific hurricanes.
 Opposite tendenciesoccur during La Niña.
Impacts on Tropical Storms
Global Impacts
El Niño shifts the probability of droughts, floods, heat waves, andextreme weather events in large regions of the globe.
Impacts
 Magnitude of impacts scales with magnitude of Pacific SST anomalies
 La Niña impacts roughly opposite to those of El Niño
Impacts on Global Weather Patterns
Global Impacts
El Niño shifts the probability of droughts, floods, heat waves, andextreme weather events in large regions of the globe.
Impacts
Washington State:
    For 9 El Niños between 1941-1995   Expected by Chance
 6 warm winters (~2°F increase)3
 2 neutral winters3
 1 cold winter3
Impacts on Global Weather Patterns

FloodCrop.gif                                                  0003D5A5Macintosh HD                   BE171228:
Venetian Court Apts. 2-8
Global Impacts
Social and Economic Consequences
salud3
Drought.gif                                                    0003D5A5Macintosh HD                   BE171228:
Wind.gif                                                       0003D5A5Macintosh HD                   BE171228:
pali5
El Niño can affect life,property, andeconomic vitality dueto weather relatedhazards.

Headlines.jpg                                                  000F384FMacintosh HD                   B94760C0:
1997-98 El Niño: Global Impacts Fatalities: 23,000Economic Losses: $36 Billion
1997-98 El Niño: U.S. Impacts
Negative
189 Fatalities
$4-5 billion in economic losses
Positive
850 lives saved
$20 billion in economic gains
Weather Noise and ENSO Stability
If ENSO is a freely oscillating instability of the ocean-atmospheresystem governed by basin scale dynamics (Schopf & Suarez, 1988:Battisti & Hirst, 1989), weather “noise” is not essential butintroduces irregularity.
If ENSO is a stable or weakly damped oscillator, external forcingin the form of weather noise is essential for initiation anddevelopment of warm events (Penland & Sardeshmukh, 1995;Moore & Kleeman, 1999; Kessler, 2002).
FedPhil.gif                                                    0006BD4FMacintosh HD                   BE171228:
Mean thermocline depth
Stability characteristicsdetermined by strength of ocean-atmosphere coupling and mayvary decadally with changingbackground conditions (Kirtmanand Schopf, 1998; Fedorov andPhilander, 2000)
Fedorov & Philander, 2000
A=1980-90s; B=1960-70s
TAO/TRITON
ATLAS Mooring
TAO/TRITON: A U.S./Japan collaboration
Current ConditionsNear normal conditions prevail

xy_144.png                                                     00075882Macintosh HD                   BE171228:
Current Conditions
Thermocline slopes down towest because of trade windforcing.
Cold subsurface (100-200 m)temperature anomalies mayindicate trend towards LaNiña cooling.

xz_144.png                                                     00075882Macintosh HD                   BE171228:
xt_anom_29C_144.png                                            00075882Macintosh HD                   BE171228:
Weather Noise and Stochastic Forcing
Episodic westerly windforcing anddownwelling Kelvinwave responses
xt_anom_29C_144.png                                            00075882Macintosh HD                   BE171228:
Weather Noise and Stochastic Forcing
June-July 2004Westerly Wind Burst
BEFORE:
“It is…likely that ENSO-neutral conditions will continuefor the next 3 months (through August 2004).”
NOAA/NCEP10 June 2004
AFTER:
El Niño conditions are expected to develop during thenext 3 months.
NOAA/NCEP5 August 2004
Westerly Wind Bursts  Amplitude and Phase of ENSO
Westerly Wind Bursts  Amplitude and Phase of ENSO
 fetch&sst.gif                                                  0003D5A5Macintosh HD                   BE171228:
29°C
Stochastic forcing notentirely random
Effects of Westerly Wind Bursts on Equatorial SST

westerly .jpg                                                  00053BACMacintosh HD                   BE171228:
 Westerly wind bursts coolthe western Pacific, and warmthe central and eastern PacificOcean via processes similar tothose that operate on longertime scales (Shinoda &Hendon, 1998; Zhang, 2001;McPhaden, 2002).
 Nonlinear processes canrectify short time scalevariations into lowerfrequency changes (Lukas andLindstrom, 1991; Kessler et al,1995; Kessler and Kleeman,2000; Waliser et al, 2003)
 Spatial structure resembles“optimal perturbations” insome coupled models of ENSO(Moore and Kleeman, 1999).
EnhancedSurfaceHeat Fluxes
ZonalAdvection
SuppressedUpwelling
 
Sleeping Lady Mountain Retreat
Leavenworth, WA
19 September 2005
Part II. What We Know and Whatis Unresolved: A Theoretical andModeling Perspective
ENSO and Models/Theory: Resolved Issues
ENSO is the result of coupled atmosphere-ocean physics inthe tropical Pacific.
Ocean models must be forced by Southern Oscillation to produce ‘El Ninos’;
Atmosphere models must be forced by ‘El Nino’ SST to produce the SouthernOscillation.
ENSO is a true mode of the coupled system.
ENSO is a strong function of the climatological meanstate.
The annual cycle acts to coordinate the ENSO mode to peak at the end of thecalendar year.
ENSO is predictable 12 months in advance.
ENSO affects are teleconnected from the tropical Pacificby well-understood atmosphere and ocean  dynamics:
Atmospheric impact is nearly global in extent.
www.atmos.washington.edu/~david/enso_pcc.pdf
Examples from an intermediateatmosphere/ocean model
Some models of the tropical PacificAtmosphere and Ocean system have realisticENSO cycles
The processes that affect SST during anENSO cycle are time and space dependant
Horizontal advection,vertical mixing,entrainment andsurface heat fluxes areall important forENSO
Nino3
Nino1
SST Tendency
Time ( model years)
ninoareas_c.jpg                                                00034DD0Macintosh HD                   BC93A1CC:
Basic elements of ENSO in observations and models
The  “delayed oscillator physics” and “recharge oscillator” arecomplimentary  toy-model descriptions of the ENSO mode.
Ocean Adjustment      &     Bjerknes
ENSO is a true eigenmode of the coupledatmosphere/ocean system in the Pacific
The Bjerknes Mechanism and the Ocean Dynamics arefeatures of the ENSO mode
Few Global Climate models have realistic ENSOs
First EOF of tropical PacificSST (all IPCC ‘04 models)
Models w/ realistic ENSOspace/time variability
Global Climate models can produce realistic ENSO variability:
Eg, the high resolution GFDL tropical Pacific-global atmosphere model(Philander et al 1992); the paleo-CSM.
Unfortunately, none of the current generation global climatemodels have realistic ENSO variability. Why?
- lousy mean states in the tropical Pacific (why?); too lowresolution in equatorial ocean; etc.
Only one model used inthe last IPCC assessmentsimulated ENSOvariability that did notviolate the robustobservational constraints.
The ENSO mode (cont).
ENSO exists because of the structure in the annual averagestate of the atmosphere/ocean system in the tropical Pacific,and …
ENSO tends to peak at the end of
the calendar year because of the
annual cycle in the in the basic state.
Spectrum of the pure ENSO mode
Thompson and Battisti 2001
ENSO as a linear, stochastic system
Results from a linear coupled atmosphere-ocean model forcedby white noise
Observed
Model
ENSO peaks at the end of the calendar yearbecause the of the annual cycle in the mean state
Observation
Model
ENSO is Predictable
Skill depends on knowingwhere you are on the ENSOmode
The long-lead time for skillfulforecast is due to long periodof the ENSO mode
Presently, empirically basedforecast models are at least asskillful as coupled GCMS

SST_table.gif                                                  00034DD0Macintosh HD                   BC93A1CC:
ENSO is predictable
Empirical models skillfully predict the state of ENSO12 months in advance.
Skill 1965-1993
Persistence
Empirical Models
cov_fr_3_3.jpg                                                 00034DD0Macintosh HD                   BC93A1CC:
cov_fr_9_3.jpg                                                 00034DD0Macintosh HD                   BC93A1CC:
Skill depends on the start month.
Empirical Model
Persistence
These plots are from an empirical model using tropicalPacific SST (1981-present).
For this month’s forecast, seewww.atmos.washington.edu/~wroberts/ENSO/LIM.html
ENSO is predictable
March Starts
September  Starts
Why is ENSO irregular?The Seasonal Footprinting Mechanism
ENSO is variable, in part, because themode interacts with the annual cycle.
The Seasonal Footprinting Mechanismaccounts for about 1/4 to 1/3 of ENSOvariance.
Other factors responsible for irregularity?
- Westerly wind bursts?
Vimont et al. 2001, 02, 03
ENSO: Unresolved Issues
Is the ENSO mode stable or unstable in thepresent climate? (consensus - stable)
If stable, what are the sources of energy for ENSO?
Does stability matter for predictability?
What is the limit of predictability?
24 months? 12 months?
How does ENSO affect the mean state?
Will ENSO change due to Global Warming?
What is the cause of the decadal ENSO-likevariability in the present (1900-2005) climate?
ENSO: Unresolved Issues
The leading pattern of variability in the tropical Pacific has an ENSOlike pattern in SST and atmosphere circulation.
Something new, or the debris that results from averagingover past ENSO events(see Vimont 2005 if you aren’t alreadyconvinced)
ENSO and Models: Resolved Issues
ENSO is the result of coupled atmosphere-ocean physics inthe tropical Pacific.
Ocean models must be forced by Southern Oscillation to produce ‘El Ninos’;
Atmosphere models must be force by ‘El Nino’ SST to produce the SouthernOscillation.
ENSO is a true mode of the coupled system.
ENSO is a strong function of the climatological meanstate.
The annual cycle acts to coordinate the ENSO mode to peak at the end of thecalendar year.
ENSO is predictable 12 months in advance.
ENSO affects are teleconnected from the tropical Pacificby well-understood atmosphere and ocean  dynamics:
Atmospheric impact is nearly global in extent.
www.atmos.washington.edu/~david/enso_pcc.pdf
ENSO: Unresolved Issues
Is the ENSO mode stable or unstable in thepresent climate? (consensus - stable)
If stable, what are the sources of energy for ENSO?
Does stability matter for predictability?
What is the limit of predictability?
24 months? 12 months?
How does ENSO affect the mean state?
Will ENSO change due to Global Warming?
What is the cause of the decadal ENSO-likevariability in the present (1900-2005) climate?
Extratropical forcing of ENSO
cov_fr_3_3.jpg                                                 00034DD0Macintosh HD                   BC93A1CC:
cov_fr_9_3.jpg                                                 00034DD0Macintosh HD                   BC93A1CC:
Skill depends on the startmonth.
Empirical Model
Persistence
March Starts
September  Starts
These plots are from an empirical model usingtropical Pacific SST (1981-present).
For this month’s forecast, seewww.atmos.washington.edu/~wroberts/ENSO/LIM.html
ENSO is predictable