Decifrando il ruolo dei flussi a getto nell’eccezionale ondata di calore di luglio in Europa occidentale

Decifrando il ruolo dei flussi a getto nell’eccezionale ondata di calore di luglio in Europa occidentale

Nel mese di luglio del 2022, l’Europa occidentale è stata colpita da un evento climatico straordinario caratterizzato da temperature eccezionalmente elevate, che hanno prodotto impatti significativi e di vasta portata sugli ecosistemi naturali, sull’agricoltura, sulla salute umana e sulle infrastrutture sociali. Attraverso un approccio integrato che combina analisi osservative dettagliate e sofisticate simulazioni di modellazione numerica, il nostro studio ha identificato le dinamiche atmosferiche chiave alla base di questa ondata di calore senza precedenti, evidenziando il ruolo determinante di anomalie nei flussi a getto del Nord Atlantico e dell’Eurasia. In particolare, si è osservato uno spostamento verso nord-est del flusso a getto del Nord Atlantico, un fenomeno modulato dai gradienti di temperatura della superficie marina (SST) nel settore atlantico, che ha alterato i pattern di circolazione atmosferica su larga scala. Parallelamente, il flusso a getto eurasiatico ha subito una deviazione nella sua traiettoria, assumendo una configurazione sinuosa in risposta a significative anomalie nelle precipitazioni registrate in Pakistan, le quali hanno influenzato la dinamica atmosferica a livello regionale e intercontinentale.

Queste anomalie nei flussi a getto hanno agito in sinergia, promuovendo un’intensificazione della subsidenza atmosferica – ovvero il movimento discendente dell’aria – sull’Europa occidentale. Tale processo ha favorito la formazione di un’area di alta pressione persistente, nota come anticiclone, che ha intrappolato aria calda e inibito la dispersione del calore, amplificando così le temperature superficiali. La nostra analisi sottolinea come l’interazione dinamica tra i due flussi a getto abbia rappresentato un fattore cruciale nel determinare l’entità e la durata dell’evento di calore estremo, evidenziando l’importanza di considerare le connessioni teleconnettive tra regioni geograficamente distanti nel contesto del cambiamento climatico globale.

Inoltre, per valutare le implicazioni future di tali configurazioni atmosferiche, abbiamo utilizzato proiezioni derivate dai modelli climatici del Coupled Model Intercomparison Project Phase 6 (CMIP6), adottando lo scenario di emissione ad alta intensità SSP585 (Shared Socioeconomic Pathway 585), che rappresenta un futuro con limitate mitigazioni delle emissioni di gas serra. I risultati indicano che configurazioni simili dei flussi a getto, se replicate in un clima più caldo, potrebbero generare eventi di calore ancora più estremi, con anomalie termiche medie stimate intorno a 7,02 ± 0,61 °C rispetto alla climatologia attuale. Tali proiezioni sottolineano la crescente vulnerabilità dell’Europa occidentale a eventi climatici estremi e la necessità di approfondire la comprensione delle dinamiche dei flussi a getto in un contesto di riscaldamento globale. Questo studio non solo arricchisce la conoscenza scientifica delle cause alla base delle ondate di calore, ma fornisce anche informazioni critiche per lo sviluppo di strategie di adattamento e mitigazione volte a ridurre gli impatti di eventi climatici estremi sulla società e sull’ambiente.

Esplorazione dei meccanismi delle ondate di calore estive in Europa: dinamiche atmosferiche e prospettive future

Negli ultimi decenni, l’Europa ha assistito a un marcato incremento della frequenza e della severità delle ondate di calore estive, un fenomeno che si inserisce in un contesto di cambiamento climatico globale. Questo trend è chiaramente documentato da una serie di estati consecutive caratterizzate da temperature eccezionalmente elevate e condizioni di siccità, come quelle registrate negli anni 2006, 2010, 2017, 2019 e 2020. Tra questi eventi, l’estate del 2022 si distingue per la sua intensità senza precedenti, con un’ondata di calore che ha investito l’Europa occidentale, determinando temperature record in numerosi Paesi, tra cui Portogallo, Francia e Inghilterra. Le conseguenze di questo evento sono state molteplici e gravi, includendo danni estensivi alle colture agricole, crisi idriche, incendi boschivi devastanti e impatti significativi sulla salute umana, sulla sicurezza alimentare e sugli ecosistemi terrestri. Le proiezioni climatiche future, basate su modelli avanzati, prevedono un ulteriore aumento dell’intensità, della frequenza e della durata di tali eventi estremi in tutta Europa, rendendo imperativa un’analisi approfondita dei meccanismi fisici che ne governano la formazione, al fine di sviluppare strategie efficaci di mitigazione e adattamento.

La letteratura scientifica ha identificato diversi fattori chiave alla base della variabilità delle ondate di calore estreme, tra cui alterazioni nella circolazione atmosferica su larga scala, configurazioni anomale dei flussi a getto, pattern insoliti di temperatura della superficie marina (SST), deficit di umidità del suolo, feedback terra-atmosfera e il contributo del riscaldamento globale di origine antropogenica. Un elemento di particolare rilevanza è rappresentato dalle teleconnessioni atmosferiche, che collegano anomalie di temperatura superficiale durante le estati boreali a complessi pattern di circolazione atmosferica, talvolta innescando eventi estremi simultanei in regioni geograficamente distanti. Ad esempio, il pattern di teleconnessione circumglobale (CGT) è associato a significative anomalie di precipitazioni e temperatura in Europa occidentale, India e Asia orientale. Inoltre, il flusso a getto del Nord Atlantico (NAJ) svolge un ruolo cruciale nel modulare le condizioni meteorologiche e climatiche europee. Quando il NAJ si sposta verso sud (o verso nord), facilita (o inibisce) il trasporto di vapore acqueo dall’Oceano Atlantico verso le regioni terrestri europee, influenzando l’umidità superficiale nell’Europa occidentale. In presenza di una configurazione a doppio getto, la riduzione dei venti nella fascia latitudinale compresa tra 45 e 65°N favorisce la formazione di sistemi anticiclonici persistenti, che creano le condizioni ideali per lo sviluppo e il mantenimento delle ondate di calore.

Le proiezioni climatiche future indicano un aumento significativo sia delle temperature medie che degli eventi estremi in Europa, con trend in accelerazione strettamente correlati agli scenari di emissione e ai livelli di riscaldamento antropogenico. Ad esempio, a un livello di riscaldamento globale di 2,0 °C rispetto a 0,5 °C, il numero di giorni di ondata di calore nell’Europa settentrionale è previsto aumentare di tre o quattro volte, mentre nell’Europa meridionale l’incremento potrebbe superare le sei volte. La probabilità di ondate di calore record è in rapido aumento, e tale rischio è influenzato più dal tasso di riscaldamento che dal livello assoluto di riscaldamento globale, evidenziando una dipendenza dal percorso di emissione adottato. Studi recenti hanno inoltre sottolineato che le componenti dinamiche legate alla circolazione atmosferica possono innescare eventi estremi di portata eccezionale, e l’intensità degli estremi termici associati a configurazioni atmosferiche specifiche, come strutture anticicloniche a forma di cupola, cresce a un ritmo superiore rispetto al riscaldamento globale di fondo nelle proiezioni future.

Nel luglio 2022, l’Europa occidentale è stata interessata da una configurazione anomala del flusso a getto, che ha contribuito in modo determinante all’ondata di calore eccezionale. In un contesto di riscaldamento globale, è fondamentale interrogarsi su come le temperature nell’Europa occidentale potrebbero evolvere se simili dinamiche atmosferiche dovessero ripresentarsi. Studi precedenti hanno analizzato la gravità e il periodo di ritorno dell’ondata di calore del 2022, suggerendo che l’evento, caratterizzato dalla combinazione di siccità e calore estremo, sia stato amplificato da meccanismi di feedback positivo legati alla riduzione dell’umidità del suolo o dall’aumento dell’ampiezza delle circolazioni associate a regimi caldi sulla massa terrestre europea. Alcuni lavori hanno anche quantificato il carico di mortalità associato al calore o valutato gli effetti delle temperature estreme sull’assorbimento di carbonio nelle foreste europee. Tuttavia, i meccanismi specifici alla base dell’evento di luglio 2022 e le proiezioni delle temperature future in condizioni atmosferiche analoghe rimangono poco esplorati.

Il presente studio si avvale di dataset osservativi e di avanzate tecniche di modellazione numerica per analizzare i processi fisici che hanno contribuito all’ondata di calore di luglio 2022 in Europa occidentale, con un focus sulla circolazione atmosferica su larga scala. In primo luogo, viene esaminato il ruolo delle configurazioni anomale dei flussi a getto nel determinare le elevate temperature registrate, chiarendo le cause alla base della formazione di tali configurazioni insolite. Successivamente, vengono presentate proiezioni dei cambiamenti termici futuri nell’Europa occidentale in presenza di dinamiche dei flussi a getto simili, fornendo una base scientifica per comprendere l’evoluzione del rischio climatico in un clima in riscaldamento. Questo lavoro non solo amplia la comprensione dei driver delle ondate di calore, ma offre anche indicazioni preziose per la pianificazione di misure di adattamento e per la gestione degli impatti degli eventi estremi sul territorio europeo.

Risultati: Analisi dell’ondata di calore eccezionale di luglio 2022 in Europa occidentale

Nel luglio del 2022, l’Europa occidentale è stata colpita da un evento termico di portata straordinaria, caratterizzato da anomalie positive della temperatura dell’aria superficiale (SAT) in un’ampia area che comprende Regno Unito, Francia, Italia e Spagna (Fig. 1a). Le temperature registrate in Portogallo e Spagna hanno raggiunto valori estremi, superando i 46 °C, mentre nel Regno Unito il Met Office ha emesso, per la prima volta nella sua storia, un’allerta rossa per calore eccezionale (https://wmo.int/media/news/first-red-extreme-heat-warning-issued-uk-during-european-heatwave). Le anomalie medie della SAT calcolate sull’intera regione dell’Europa occidentale hanno stabilito un nuovo record dal 1979, attestandosi a un valore straordinario di 2,06 °C rispetto alla media climatologica (Fig. 1b). L’analisi della serie temporale delle anomalie della SAT dal 1979 al 2022 rivela un marcato trend di riscaldamento, con un incremento medio di 0,4 °C per decennio, che riflette l’influenza del riscaldamento globale sulle variazioni termiche nella regione. Tuttavia, è opportuno notare che questa stima rappresenta un’approssimazione semplificata, poiché il riscaldamento globale segue generalmente una traiettoria non lineare nel tempo. Rimuovendo il trend lineare, l’anomalia della SAT per il mese di luglio 2022 rimane comunque significativa, pari a 1,26 °C, indicando che circa il 61,20% dell’anomalia termica osservata non può essere attribuito esclusivamente al riscaldamento globale di lungo periodo, ma è legato a dinamiche atmosferiche specifiche.

L’evento di caldo estremo del luglio 2022 in Europa occidentale si è verificato in concomitanza con anomalie positive dell’altezza geopotenziale (GHT) e con la presenza di una circolazione anticiclonica anomala nella troposfera superiore (Fig. 1c). Questo sistema di alta pressione anomalo ha favorito l’aumento delle temperature superficiali attraverso due meccanismi principali: il riscaldamento adiabatico indotto dalla subsidenza atmosferica, ovvero il movimento discendente dell’aria che comprime e riscalda le masse d’aria, e un incremento del flusso di radiazione solare a onde corte dovuto a condizioni di cielo sereno (Fig. 1e, f). Inoltre, l’analisi delle anomalie dell’altezza geopotenziale ha rivelato la presenza di cinque centri di anomalie significativamente positive nella fascia compresa tra 30°N e 60°N, localizzati rispettivamente in Europa occidentale, Asia centro-occidentale, Asia orientale, Pacifico settentrionale e Nord America (Supplementary Fig. 1a). Questo pattern atmosferico mostra una sorprendente somiglianza con il pattern di teleconnessione circumglobale (CGT), come descritto da Ding e Wang (2005) (Supplementary Fig. 1b). Il CGT rappresenta un’importante teleconnessione atmosferica che si manifesta durante l’estate boreale attraverso l’Eurasia, costituendo una fonte significativa di variabilità climatica e di potenziale prevedibilità nelle regioni di media latitudine.

I flussi a getto, bande strette di venti ad alta velocità che scorrono nella troposfera superiore, svolgono un ruolo cruciale nel modulare le condizioni meteorologiche e climatiche superficiali nelle regioni interessate. L’Europa occidentale si trova in una posizione strategica, situata nella regione di uscita del flusso a getto del Nord Atlantico (NAJ) e nella regione di ingresso del flusso a getto eurasiatico (EAJ). In condizioni climatologiche medie, la regione è posizionata tra due flussi a getto che presentano traiettorie relativamente lineari. Nel luglio 2022, tuttavia, il NAJ e il suo asse, definito come la linea di massima velocità del vento zonale, hanno subito uno spostamento significativo verso nord e verso est rispetto alla loro posizione climatologica. Parallelamente, l’EAJ ha esibito una configurazione sinuosa, con una marcata curvatura verso nord nella regione della penisola indiana settentrionale, influenzata dalla fase positiva del pattern CGT (Fig. 1d). L’ondata di calore senza precedenti in Europa occidentale si è manifestata proprio nella regione compresa tra questi due flussi a getto anomali. È degno di nota che questa configurazione dei flussi a getto rimane evidente anche dopo la rimozione del trend lineare dei venti zonali (Supplementary Fig. 2), suggerendo che le anomalie osservate siano principalmente legate a variazioni interannuali piuttosto che al solo effetto del riscaldamento globale.

Per isolare l’impatto delle dinamiche atmosferiche di breve termine e minimizzare l’influenza del riscaldamento globale di lungo periodo, il trend lineare è stato rimosso dai dati prima di procedere con le analisi dettagliate nelle sezioni dedicate alle “Temperature estreme elevate associate a due flussi a getto anomali” e ai “Ruoli delle forzanti oceaniche e atmosferiche nel CGT e nel NAJ”. Questo approccio consente di concentrarsi sulla variabilità interannuale dei flussi a getto e delle temperature elevate, evidenziando i meccanismi specifici che hanno contribuito all’evento di caldo estremo del luglio 2022. I risultati di questa analisi sottolineano l’importanza delle configurazioni anomale dei flussi a getto nel determinare condizioni climatiche estreme e forniscono una base solida per ulteriori indagini sulle interazioni tra teleconnessioni atmosferiche, forzanti oceaniche e anomalie termiche in un contesto di cambiamento climatico globale.

Analisi dettagliata della Figura 1: L’ondata di calore eccezionale di luglio 2022 in Europa occidentale

La Figura 1 offre un’analisi approfondita dell’evento di caldo estremo che ha caratterizzato l’Europa occidentale nel mese di luglio 2022, integrando dati osservativi e rappresentazioni grafiche delle dinamiche atmosferiche associate. Questa figura si compone di sei pannelli che illustrano, rispettivamente, le anomalie della temperatura dell’aria superficiale (SAT), le tendenze temporali delle anomalie termiche, le configurazioni delle altezze geopotenziali e dei venti nella troposfera superiore, i pattern dei flussi a getto, le anomalie della velocità verticale e le variazioni del flusso di radiazione solare. Di seguito, si fornisce una descrizione dettagliata e scientifica di ciascun pannello, evidenziando il loro contributo alla comprensione dell’evento.

• Pannello (a) – Anomalie della temperatura dell’aria superficiale (SAT): Questo pannello presenta una mappa delle anomalie della SAT al livello sigma-995 (approssimativamente corrispondente alla superficie terrestre) per il mese di luglio 2022, calcolate rispetto alla media climatologica del periodo 1979-2022 (unità: °C). Le regioni caratterizzate da colori intensi che virano al rosso indicano deviazioni positive significative, con un focus particolare sull’Europa occidentale, delimitata da una scatola nera che copre il range longitudinale da 10°W a 17.5°E e latitudinale da 35°N a 50°N. Questa area evidenzia un’anomalia termica marcata, coerente con le temperature record registrate, che hanno superato i 46 °C in Portogallo e Spagna, riflettendo l’intensità dell’evento di calore.
• Pannello (b) – Serie temporale delle anomalie standardizzate della SAT in Europa occidentale: Questo grafico riporta la serie temporale delle anomalie standardizzate della SAT per il mese di luglio dal 1979 al 2022, con una linea di tendenza lineare sovrapposta (in nero). L’analisi rivela un incremento medio della SAT di circa 0,4 °C per decennio (p < 0,01), attribuibile all’influenza del riscaldamento globale di lungo periodo. Tuttavia, l’anomalia del 2022 si distingue come un outlier eccezionale, con un valore che supera i 2 °C rispetto alla media, suggerendo che fattori oltre il trend climatico di base abbiano contribuito all’evento. Questa evidenza sottolinea la necessità di indagare le componenti dinamiche e interannuali alla base del fenomeno.
• Pannello (c) – Anomalie dell’altezza geopotenziale (GHT) e del vento a 250 hPa: Questo pannello fornisce una rappresentazione delle anomalie dell’altezza geopotenziale (unità: m, in ombreggiatura) e delle anomalie del vento (vettori, in m/s) a 250 hPa, livello corrispondente alla troposfera superiore. Una vasta anomalia positiva di GHT è evidente sull’Europa occidentale, associata a un sistema anticiclonico che ha favorito condizioni di stabilità atmosferica. Due scatole nere (60°E-70°E, 35°N-40°N) identificano le regioni utilizzate per calcolare l’indice di teleconnessione circumglobale (CGTI), suggerendo un possibile legame con pattern atmosferici su scala emisferica che hanno amplificato l’evento termico.
• Pannello (d) – Configurazioni dei flussi a getto e dei loro assi: Questo pannello illustra le traiettorie dei flussi a getto del Nord Atlantico (NAJ) e dell’Eurasia (EAJ) nel luglio 2022 (linee rosse continue), confrontate con la media climatologica (linee nere continue), con gli assi dei getti indicati da linee tratteggiate. Il NAJ mostra uno spostamento significativo verso nord-est rispetto alla sua posizione media, mentre l’EAJ presenta una configurazione ondulata con una curvatura verso nord sulla penisola indiana settentrionale, influenzata dalla fase positiva del pattern CGT. Questa disposizione anomala ha creato una regione di convergenza tra i due flussi a getto, contribuendo all’isolamento termico dell’Europa occidentale e alla persistenza dell’anticiclone.
• Pannello (e) – Anomalie della velocità verticale a 700 hPa: Questo grafico rappresenta le anomalie della velocità verticale (unità: 10⁻³ m/s, in ombreggiatura) a 700 hPa, un livello intermedio della troposfera. Valori negativi indicano subsidenza atmosferica, ovvero un movimento discendente dell’aria, particolarmente pronunciato sull’Europa occidentale. Questo processo adiabatico, che comporta la compressione e il conseguente riscaldamento dell’aria, ha amplificato le temperature superficiali, rafforzando l’impatto dell’anticiclone.
• Pannello (f) – Anomalie del flusso di radiazione a onde corte: Questo pannello mostra le anomalie del flusso netto di radiazione solare (unità: 10⁻⁶ K/s, in ombreggiatura), con valori positivi che evidenziano un incremento dell’irraggiamento solare dovuto alle condizioni di cielo sereno associate all’anticiclone. Tale aumento della radiazione a onde corte ha fornito un contributo aggiuntivo al riscaldamento superficiale, aggravando l’evento di calore.

In conclusione, la Figura 1 offre un quadro integrato dell’ondata di calore del luglio 2022 in Europa occidentale, evidenziando come un’anomalia termica significativa sia stata amplificata da un sistema anticiclonico persistente a 250 hPa, subsidenza atmosferica a 700 hPa e un incremento della radiazione solare. Queste dinamiche sono state modulate da configurazioni anomale dei flussi a getto (NAJ ed EAJ), influenzate dal pattern di teleconnessione circumglobale (CGT). Questa analisi non solo conferma la complessità dei processi atmosferici alla base degli eventi estremi, ma fornisce anche una base scientifica per valutare la vulnerabilità futura della regione in un contesto di cambiamento climatico.

Analisi approfondita della Figura 2: Spostamenti meridionali dei flussi a getto in relazione alle fasi dell’Indice NAJI e CGTI

La Figura 2 fornisce un’analisi dettagliata e scientifica degli spostamenti meridionali (nord-sud) dei flussi a getto del Nord Atlantico (NAJ) e dell’Eurasia (EAJ) in funzione delle diverse fasi dell’Indice del Flusso a Getto del Nord Atlantico (NAJI) e dell’Indice di Teleconnessione Circumglobale (CGTI), basandosi su un dataset che copre il periodo dal 1979 al 2022. Questa figura, composta da sei pannelli, integra serie temporali e mappe composite per esplorare le variazioni spaziali e temporali dei flussi a getto, offrendo una prospettiva critica sulle dinamiche atmosferiche che influenzano le condizioni climatiche, inclusi eventi estremi come l’ondata di calore del luglio 2022 in Europa occidentale. Di seguito, si presenta una descrizione esaustiva di ciascun pannello, con un’enfasi sulle implicazioni climatiche.

• Pannello (a) – Serie temporale dell’Indice NAJI: Questo grafico illustra l’andamento temporale dell’Indice NAJI, rappresentato da barre che quantificano la posizione meridionale del NAJ rispetto alla media climatologica. Valori positivi indicano uno spostamento verso latitudini settentrionali, mentre valori negativi suggeriscono un posizionamento più meridionale. La linea nera, corrispondente alla media mobile calcolata su un intervallo di sette anni, consente di identificare le tendenze di lungo periodo e le fluttuazioni interannuali, fornendo un contesto per valutare l’influenza del NAJ sulle condizioni meteorologiche europee.
• Pannello (b) – Serie temporale dell’Indice CGTI: Questo pannello presenta la serie temporale del CGTI, un indicatore della forza del pattern di teleconnessione circumglobale che collega anomalie climatiche su scala emisferica. Le barre rappresentano le variazioni annuali, con valori positivi associati a una fase attiva del pattern e valori negativi a una fase debole. Anche in questo caso, la media mobile su sette anni (linea nera) sovrapposta evidenzia le dinamiche a lungo termine, offrendo un quadro delle interazioni teleconnettive che possono influenzare l’Europa occidentale e altre regioni, come l’Asia e il Pacifico.
• Pannello (c) – Mappa composita degli anni con NAJI positivo: Questa mappa composita sintetizza le configurazioni medie dei flussi a getto del Nord Atlantico e dell’Eurasia durante gli anni caratterizzati da un NAJI positivo. L’ombreggiatura rossa evidenzia le aree con venti zonali superiori a 15 m/s, mentre la linea tratteggiata rossa traccia l’asse del getto. In queste condizioni, il NAJ si sposta verso nord, estendendosi su latitudini più elevate, una posizione che può favorire l’instaurarsi di condizioni anticicloniche nell’Europa settentrionale, con potenziali impatti sulle temperature superficiali.
• Pannello (d) – Mappa composita degli anni con CGTI positivo: Questo pannello mostra la configurazione composita dei flussi a getto durante gli anni con un CGTI positivo. L’ombreggiatura rossa e la linea tratteggiata rossa indicano i venti zonali superiori a 15 m/s e il rispettivo asse del getto, con particolare attenzione all’EAJ. Durante la fase positiva del CGTI, l’EAJ esibisce una traiettoria ondulata, con una curvatura verso nord sulla penisola indiana settentrionale, un fenomeno che riflette l’influenza delle teleconnessioni atmosferiche e può amplificare gli effetti termici in regioni lontane, inclusa l’Europa occidentale.
• Pannello (e) – Mappa composita degli anni con NAJI negativo: Questa mappa rappresenta le condizioni medie degli anni con un NAJI negativo, dove l’ombreggiatura blu e la linea tratteggiata blu indicano i flussi a getto e i loro assi. In questa fase, il NAJ si posiziona a latitudini più meridionali, influenzando potenzialmente le regioni centrali e meridionali dell’Europa occidentale con un diverso regime di umidità e precipitazioni, dovuto a una maggiore o minore intrusione di masse d’aria atlantiche.
• Pannello (f) – Mappa composita degli anni con CGTI negativo: Questo pannello illustra la configurazione composita degli anni con un CGTI negativo. L’ombreggiatura blu e la linea tratteggiata blu evidenziano un EAJ più rettilineo e spostato verso sud, riflettendo una fase meno pronunciata del pattern CGT. Questa disposizione può ridurre l’influenza teleconnettiva, portando a condizioni meteorologiche meno estreme rispetto alla fase positiva.

La legenda distingue chiaramente la media climatologica (ombreggiatura grigia, linea tratteggiata nera), gli anni con NAJI e CGTI positivi (rosso) e negativi (blu), utilizzando una soglia di 15 m/s per i venti zonali. In sintesi, la Figura 2 evidenzia come le fasi positive del NAJI e del CGTI siano associate a spostamenti settentrionali e configurazioni ondulate dei flussi a getto, creando condizioni favorevoli a eventi di calore estremo, come osservato nel 2022. Al contrario, le fasi negative corrispondono a traiettorie più meridionali e lineari, con implicazioni diverse sul clima regionale. Questa analisi fornisce una base solida per comprendere i meccanismi atmosferici sottostanti e per migliorare le proiezioni climatiche future in un contesto di riscaldamento globale.

Temperature estremamente elevate associate a due flussi a getto anomali: un’analisi quantitativa e dinamica

La questione fondamentale affrontata in questo studio riguarda il modo in cui sia possibile descrivere in termini quantitativi il comportamento dei due flussi a getto anomali osservati, ovvero il flusso a getto del Nord Atlantico (NAJ) e il flusso a getto eurasiatico (EAJ), durante l’evento climatico estremo del luglio 2022. Per quanto concerne la curvatura verso nord dell’EAJ, associata al pattern di teleconnessione circumglobale (CGT), è stato adottato l’Indice di Teleconnessione Circumglobale (CGTI), definito come la media detrendata dell’altezza geopotenziale a 250 hPa nella regione delimitata da 60°E a 70°E e da 35°N a 40°N (Fig. 1c). Questa scelta è coerente con la metodologia proposta da Ding e Wang (2005), che identificano tale area come un nodo critico per la caratterizzazione del pattern CGT. Per lo spostamento verso nord-est del NAJ, invece, è stato sviluppato un nuovo indice denominato Indice del Flusso a Getto del Nord Atlantico (NAJI), necessario poiché gli indici di latitudine del NAJ proposti in precedenza, pur catturando efficacemente il movimento nord-sud complessivo del getto, risultano inadeguati a descrivere lo spostamento verso nord-est nella sua regione di uscita durante il luglio 2022 (Supplementary Fig. 3). Tale indice è stato costruito sulla base delle anomalie del vento zonale a 250 hPa registrate nel luglio 2022 (Supplementary Fig. 4), identificando lo spostamento nord-est del NAJ attraverso la differenza tra le anomalie standardizzate e detrendate del vento zonale nella scatola settentrionale (55°–60°N, 20°W–10°E) e quelle nella scatola meridionale (40°–45°N, 20°W–10°E).

Le configurazioni compositive dei flussi a getto negli anni caratterizzati da valori positivi e negativi del NAJI e del CGTI (Supplementary Table 2) rivelano differenze marcate. Gli anni positivi e negativi sono stati identificati come quelli in cui l’indice standardizzato di luglio supera o è inferiore a una deviazione standard dalla media. Negli anni con NAJI positivo, il NAJ e il suo asse mostrano una tendenza a spostarsi verso nord-est rispetto alla loro posizione climatologica, mentre negli anni con NAJI negativo tale spostamento è assente o invertito. Analogamente, negli anni con CGTI positivo, l’EAJ e il suo asse esibiscono una curvatura verso nord a nord della penisola indiana, mentre negli anni con CGTI negativo la curvatura si orienta verso sud (Fig. 2c–f). Questi risultati confermano che il NAJI e il CGTI rappresentano strumenti efficaci per quantificare gli spostamenti meridionali del NAJ e le variazioni di traiettoria dell’EAJ. È particolarmente significativo che entrambi gli indici abbiano raggiunto i loro valori estremi storici nel luglio 2022, rappresentando l’unico anno dal 1979 in cui entrambi superano una deviazione standard. Tale convergenza di condizioni anomale nei due flussi a getto suggerisce un legame diretto con l’insorgenza del caldo eccezionale osservato in quel mese.

Per approfondire il rapporto tra la configurazione insolita dei flussi a getto e le variazioni della temperatura dell’aria superficiale (SAT) in Europa occidentale, la Figura 3 presenta le anomalie regredite della SAT, dell’altezza geopotenziale a 250 hPa e del vento in funzione del NAJI e del CGTI. Le fasi positive del NAJI sono associate a anomalie positive dell’altezza geopotenziale sull’Europa occidentale, che inducono anomalie positive della SAT attraverso movimenti discendenti dell’aria e un incremento del flusso di radiazione a onde corte verso il basso (Supplementary Fig. 5). Tali movimenti discendenti possono essere attribuiti alla circolazione secondaria latente del getto a livello superiore nella regione di uscita, dove i venti ageostrofici si dirigono verso destra, generando divergenza a sinistra e convergenza a destra. Quando il NAJ si sposta verso nord-est, la regione di subsidenza indotta si estende dall’Atlantico all’Europa occidentale nel luglio 2022 (Supplementary Fig. 6), amplificando l’effetto termico. Parallelamente, la fase positiva del pattern CGT è caratterizzata da anomalie positive dell’altezza geopotenziale in Europa occidentale, contribuendo all’aumento della SAT mediante un sistema di alta pressione anomalo. Su un intervallo temporale più ampio, dal 1948 al 2022, lo spostamento verso nord del NAJ e la fase positiva del CGT mostrano una correlazione significativa con temperature più elevate in Europa occidentale, confermando la robustezza di questa relazione (Supplementary Fig. 7). In sintesi, lo spostamento verso nord-est del NAJ e la curvatura verso nord dell’EAJ agiscono sinergicamente per incrementare la SAT in Europa occidentale, favorendo un riscaldamento adiabatico indotto dalla subsidenza e un potenziamento del flusso di radiazione a onde corte, con implicazioni cruciali per la comprensione degli eventi di calore estremo in un contesto di cambiamento climatico.

Analisi dettagliata della Figura 3: Relazione tra i flussi a getto anomali del Nord Atlantico e dell’Eurasia e le alte temperature in Europa occidentale

La Figura 3 offre un’analisi approfondita e scientificamente rigorosa delle interazioni tra le configurazioni anomale dei flussi a getto del Nord Atlantico (NAJ) e dell’Eurasia (EAJ) e le elevate temperature registrate in Europa occidentale, basandosi su dati regrediti per il periodo 1979-2022. Questa figura, articolata in quattro pannelli, esplora le anomalie della temperatura dell’aria superficiale (SAT) e dell’altezza geopotenziale a 250 hPa (GHT), integrate con le anomalie del vento orizzontale, in relazione all’Indice del Flusso a Getto del Nord Atlantico (NAJI) e all’Indice di Teleconnessione Circumglobale (CGTI). Di seguito, si fornisce una descrizione esaustiva di ciascun pannello, con un’enfasi sulle implicazioni fisiche e statistiche che collegano le dinamiche atmosferiche agli eventi di calore estremo.

• Pannello (a) – Anomalie della SAT regredite sull’NAJI: Questo pannello presenta una mappa delle anomalie della SAT di luglio (unità: °C, rappresentate in ombreggiatura) regredite sull’NAJI, coprendo un intervallo temporale di 44 anni (1979-2022). Le regioni caratterizzate da tonalità rosse, concentrate principalmente sull’Europa occidentale, indicano anomalie positive della SAT, suggerendo un’associazione diretta tra lo spostamento verso nord-est del NAJ e l’incremento delle temperature superficiali. Le aree punteggiate in verde evidenziano regioni dove la correlazione tra NAJI e SAT raggiunge una significatività statistica al 95% di confidenza, validando la robustezza di questa relazione. Le linee di contorno (unità: m/s, con un intervallo di 4 m/s) rappresentano i flussi a getto anomali, derivati dalla somma delle anomalie del vento zonale a 250 hPa regredite e della media climatologica, offrendo un contesto spaziale che illustra la posizione e l’estensione del NAJ durante le fasi positive dell’indice.
• Pannello (b) – Anomalie della SAT regredite sul CGTI: Simile al pannello precedente, questo grafico mappa le anomalie della SAT di luglio regredite sul CGTI. Le aree rosse, con un focus sull’Europa occidentale, denotano anomalie positive della SAT, attribuibili alla curvatura verso nord dell’EAJ indotta dalla fase positiva del pattern di teleconnessione circumglobale. Anche in questo caso, le regioni punteggiate in verde indicano una significatività statistica al 95%, confermando l’influenza del CGTI sulle variazioni termiche. Le linee di contorno dei flussi a getto anomali, sovrapposte alla mappa, evidenziano la traiettoria modificata dell’EAJ, fornendo una rappresentazione visiva del ruolo della teleconnessione nella modulazione delle condizioni climatiche.
• Pannello (c) – Anomalie della GHT e del vento regredite sull’NAJI: Questo pannello illustra le anomalie dell’altezza geopotenziale a 250 hPa (unità: m, in ombreggiatura) e le anomalie del vento orizzontale (vettori, unità: m/s) regredite sull’NAJI. Una vasta anomalia positiva di GHT si manifesta sull’Europa occidentale, associata alla presenza di un sistema anticiclonico che stabilizza l’atmosfera e favorisce l’accumulo di calore. I vettori del vento orizzontale evidenziano le anomalie della circolazione atmosferica, con direzioni che supportano la subsidenza, un processo fisico che contribuisce al riscaldamento adiabatico delle masse d’aria. Le aree punteggiate in verde confermano la significatività statistica al 95%, rafforzando la connessione tra lo spostamento nord-est del NAJ e le condizioni termiche estreme.
• Pannello (d) – Anomalie della GHT e del vento regredite sul CGTI: Analogamente al pannello (c), questo grafico presenta le anomalie della GHT e del vento orizzontale regredite sul CGTI. L’anomalia positiva di GHT sull’Europa occidentale riflette l’impatto della fase positiva del pattern CGT, che sostiene un sistema di alta pressione anomalo responsabile dell’aumento della SAT. I vettori del vento mostrano le dinamiche circolatorie associate, coerenti con la curvatura nord dell’EAJ, mentre le aree punteggiate in verde indicano una significatività statistica al 95%, validando l’influenza del CGTI sulle condizioni atmosferiche regionali.

In conclusione, la Figura 3 fornisce un’evidenza scientifica robusta del legame tra le anomalie positive del NAJI e del CGTI e l’incremento delle temperature superficiali in Europa occidentale. Lo spostamento verso nord-est del NAJ e la curvatura verso nord dell’EAJ sono associati a anomalie positive dell’altezza geopotenziale a 250 hPa, che inducono subsidenza atmosferica e un maggiore assorbimento di radiazione solare, amplificando il riscaldamento. La significatività statistica al 95% delle correlazioni osservate sottolinea l’affidabilità di queste dinamiche, offrendo un quadro integrato per comprendere i meccanismi fisici alla base degli eventi di calore estremo e per informare le proiezioni climatiche future in un contesto di riscaldamento globale, come rilevante per l’evento del luglio 2022.

Ruoli delle forzanti oceaniche e atmosferiche nel pattern di teleconnessione circumglobale (CGT) e nel flusso a getto del Nord Atlantico (NAJ): un’analisi integrata

Il pattern di teleconnessione circumglobale (CGT), come evidenziato nel pannello (a) della Figura 4, è significativamente influenzato dall’effetto del riscaldamento diabatico generato dalle precipitazioni del monsone indiano, un fattore che contribuisce all’attivazione e al mantenimento di questa configurazione atmosferica su scala emisferica. Studi precedenti, tra cui quelli di Ding e Wang (2005) e altre ricerche, hanno sottolineato come tale meccanismo svolga un ruolo cruciale nel sostenere il CGT. Nel contesto specifico del luglio 2022, si sono registrate anomalie positive delle precipitazioni di notevole entità nella regione del Pakistan, con un valore standardizzato delle piogge nell’area delimitata tra 65°E e 77.5°E e tra 22.5°N e 35°N che ha raggiunto un massimo storico di 4,26 (Figure 4a e 4b). Tale evento eccezionale è iniziato a metà giugno nel nord del Pakistan, come documentato in Supplementary Fig. 8. Queste anomalie positive delle precipitazioni sono state accompagnate da anomalie positive dell’altezza geopotenziale (GHT) nella troposfera superiore dell’Asia centro-occidentale (Fig. 4c), generando un’interazione dinamica che modula il pattern CGT attraverso l’attivazione di onde atmosferiche. Questo processo ha avuto ripercussioni a distanza, contribuendo alle anomalie positive della temperatura dell’aria superficiale (SAT) in Europa occidentale (Fig. 4d). Coerentemente con queste osservazioni, il valore dell’Indice di Teleconnessione Circumglobale (CGTI) nel luglio 2022 ha superato il record storico dal 1979, come riportato nella Figura 2b, confermando la straordinaria intensità del fenomeno.

L’impatto delle precipitazioni pakistane sulla SAT in Europa occidentale è stato validato tramite simulazioni di sensitività condotte con il modello CAM5. L’esperimento di controllo (CTL_exp) si basa sulle temperature superficiali del mare (SST) e sui dati di ghiaccio marino predefiniti dal modello, mentre l’esperimento Heating_exp introduce un incremento del riscaldamento diabatico atmosferico anomalo nella regione del Pakistan (si rimanda alla sezione “Metodi” per i dettagli tecnici). I risultati, illustrati in Figura 4f, indicano che le precipitazioni in Pakistan inducono la formazione di un’alta pressione su Asia centrale e occidentale. Tale sistema di alta pressione innesca onde di Rossby che si propagano verso ovest, generando una circolazione anticiclonica anomala sopra l’Europa occidentale e il Mediterraneo. Questa dinamica ha favorito l’accumulo di calore, portando a temperature elevate nella regione occidentale europea, un effetto che evidenzia il ruolo delle forzanti atmosferiche nella trasmissione degli impatti climatici a grande distanza.

Per quanto riguarda lo spostamento verso nord-est del flusso a getto del Nord Atlantico (NAJ), la letteratura scientifica suggerisce che le variazioni delle temperature superficiali del mare (SST), in particolare nelle zone frontali oceaniche a medie latitudini, esercitino un’influenza significativa sull’intensità e sullo spostamento meridionale del getto. Le anomalie delle SST regredite sull’Indice del Flusso a Getto del Nord Atlantico (NAJI), come mostrato in Figura 5a, rivelano una correlazione tra lo spostamento verso nord-est del NAJ e un pattern di anomalie delle SST a forma di dipolo nell’Atlantico settentrionale. Le anomalie delle SST registrate nell’Atlantico settentrionale nel luglio 2022 presentano anch’esse un pattern a dipolo (Supplementary Fig. 10b), suggerendo che il pattern delle anomalie delle SST a forma di dipolo nell’Atlantico settentrionale (NAD) rappresenti un elemento determinante nel modulare la traiettoria del NAJ. L’Indice NAD (NADI) è stato definito come la differenza tra le anomalie standardizzate e detrendate delle SST nella scatola meridionale (36°–2°W, 42°–52°N) e quelle nella scatola settentrionale (36°–2°W, 56°–66°N). Tra il NADI e l’NAJI è stata osservata una correlazione di 0,48 (P < 0,01), un valore statisticamente significativo. Inoltre, le anomalie della SAT e del vento orizzontale a 250 hPa regredite sul NADI risultano molto simili a quelle regredite sull’NAJI (Fig. 5b), rafforzando l’ipotesi che le fasi positive del NAD siano strettamente legate allo spostamento verso nord-est del NAJ e alle anomalie positive della SAT in Europa occidentale.

Il meccanismo attraverso il quale la fase positiva del NAD contribuisce allo spostamento verso nord-est del NAJ è stato ulteriormente analizzato. La Figura 5c evidenzia che la fase positiva del NAD è caratterizzata da anomalie negative delle SST a nord di 55°N e da anomalie positive a sud di 55°N, accentuando il gradiente termico delle SST nella fascia 50°–60°N. Questo incremento del gradiente termico rafforza la baroclinicità atmosferica a livello inferiore (Fig. 5d), influenzando il gradiente di temperatura dell’aria. La baroclinicità atmosferica risultante si posiziona leggermente a nord del gradiente delle SST, a causa di una risposta inclinata verso nord della temperatura dell’aria alle anomalie delle SST (Supplementary Fig. 9). Tale aumento della baroclinicità favorisce la formazione e lo sviluppo di eddie transitori, vortici atmosferici temporanei che giocano un ruolo chiave nella dinamica del getto. Il potenziato trasporto del flusso di vorticità degli eddie a livello superiore genera anomalie di forzante di vorticità positive a nord e negative a sud del centro delle anomalie barocliniche (Fig. 5d), corrispondenti a una fonte di vorticità potenziale positiva e negativa. Questo processo rafforza i venti occidentali centrali, sostenendo lo spostamento verso nord-est del NAJ. La fase positiva del NAD, unica nel luglio 2022, ha incrementato la baroclinicità atmosferica, stimolando eddie transitori più attivi che, attraverso il forzante di vorticità, hanno contribuito allo spostamento del NAJ. Tale fase ha iniziato a emergere e a intensificarsi già a giugno (Supplementary Fig. 10), preparando le condizioni per la configurazione anomala osservata.

L’effetto della fase positiva del NAD sulla SAT in Europa occidentale è stato confermato tramite ulteriori test di sensitività con il modello CAM5. L’esperimento NAD+ è stato forzato da un campo di SST ricostruito, ottenuto aggiungendo le anomalie delle SST di luglio nella regione 38°N–72°N, 60°W–2°W, tipiche delle fasi positive del NAD, alle SST predefinite dal modello. Le differenze compositive tra l’esperimento NAD+ e l’esperimento di controllo rivelano la presenza di un’alta pressione anomala sull’Atlantico settentrionale e sull’Europa occidentale, un fattore che ha contribuito all’incremento della SAT nella regione (Fig. 5f). In definitiva, i modelli numerici corroborano il ruolo del pattern NAD nell’indurre alte temperature in Europa occidentale, fornendo una solida base per comprendere l’interazione tra forzanti oceaniche e risposte atmosferiche in un contesto di eventi climatici estremi.

Analisi dettagliata della Figura 4: Il contributo delle precipitazioni in Pakistan alla fase positiva del pattern di teleconnessione circumglobale (CGT) e ai suoi impatti climatici

La Figura 4 fornisce un’analisi approfondita e scientificamente strutturata del ruolo delle precipitazioni in Pakistan nel sostenere la fase positiva del pattern di teleconnessione circumglobale (CGT) e nel determinare le conseguenti anomalie climatiche, con un’enfasi particolare sull’evento eccezionale del luglio 2022. La figura si articola in sei pannelli che integrano dati osservativi, serie temporali e risultati derivanti da simulazioni numeriche con il modello CAM5, offrendo una visione olistica delle interazioni tra forzanti atmosferiche locali e risposte climatiche a scala regionale e globale. Di seguito, si presenta una descrizione esaustiva di ciascun pannello, con un focus sulle implicazioni fisiche e statistiche che collegano le precipitazioni in Pakistan agli effetti osservati in Europa occidentale.

• Pannello (a) – Anomalie delle precipitazioni regredite sul CGTI: Questo pannello espone una mappa delle anomalie delle precipitazioni di luglio (unità: mm giorno⁻¹, rappresentate in ombreggiatura) regredite sull’Indice di Teleconnessione Circumglobale (CGTI) per il periodo 1979-2022. Le linee di contorno, colorate in rosso per valori positivi e in blu per valori negativi (unità: mm giorno⁻¹), illustrano le anomalie delle precipitazioni nel luglio 2022 rispetto alla media climatologica 1979-2022, sovrapposte alla regressione per contestualizzare l’evento. Una regione di anomalie positive si concentra in Pakistan, delimitata da una scatola nera (65°E–77.5°E, 22.5°N–35°N), dove i punti neri indicano coefficienti di regressione significativi al 95% di confidenza. Questa evidenza statistica rafforza l’ipotesi che le precipitazioni in Pakistan rappresentino un driver chiave per l’attivazione del pattern CGT.
• Pannello (b) – Serie temporale delle precipitazioni standardizzate in Pakistan: Questo grafico riporta la serie temporale delle anomalie delle precipitazioni standardizzate e detrendate nella regione del Pakistan dal 1979 al 2022. Il valore eccezionale di 4,26 registrato nel luglio 2022 emerge come un picco storico, riflettendo l’intensità senza precedenti dell’evento. L’inizio delle piogge a metà giugno, come documentato in Supplementary Fig. 8, suggerisce una persistenza delle condizioni anomale che hanno influenzato la circolazione atmosferica su scala emisferica nelle settimane precedenti.
• Pannello (c) – Anomalie dell’altezza geopotenziale a 250 hPa regredite sulle precipitazioni in Pakistan: Questo pannello presenta una mappa delle anomalie dell’altezza geopotenziale a 250 hPa (unità: m, in ombreggiatura) regredite sulle precipitazioni in Pakistan per il periodo 1979-2022. Una vasta anomalia positiva si manifesta sull’Asia centro-occidentale, indicando la formazione di un sistema anticiclonico nella troposfera superiore. Questo fenomeno è attribuibile all’effetto del riscaldamento diabatico indotto dalle precipitazioni, che genera onde atmosferiche capaci di propagarsi e influenzare regioni lontane, come l’Europa occidentale.
• Pannello (d) – Anomalie della SAT regredite sulle precipitazioni in Pakistan: Similmente al pannello precedente, questo grafico illustra le anomalie della temperatura dell’aria superficiale (SAT) (unità: °C, in ombreggiatura) regredite sulle precipitazioni in Pakistan. Le anomalie positive osservate sull’Europa occidentale dimostrano che le precipitazioni in Pakistan, attraverso la mediazione del pattern CGT, contribuiscono all’innalzamento delle temperature superficiali. Tale effetto teleconnettivo evidenzia la capacità delle forzanti atmosferiche locali di generare impatti climatici a grande distanza.
• Pannello (e) – Differenze di riscaldamento diabatico a 500 hPa tra Heating_exp e CTL_exp: Questo pannello mostra la distribuzione spaziale delle differenze nei tassi di riscaldamento diabatico a 500 hPa (unità: J s⁻¹ kg⁻¹, in ombreggiatura) tra l’esperimento Heating_exp, progettato per simulare un incremento del riscaldamento diabatico in Pakistan, e l’esperimento di controllo (CTL_exp). Una regione di riscaldamento positivo si concentra in Pakistan, confermando che l’aumento delle precipitazioni locali altera la struttura termica dell’atmosfera intermedia, influenzando la circolazione su larga scala.
• Pannello (f) – Differenze compositive di temperatura a 925 hPa e GHT a 250 hPa tra Heating_exp e CTL_exp: Questo pannello espone le differenze compositive della temperatura dell’aria a 925 hPa (unità: °C, in ombreggiatura) e dell’altezza geopotenziale a 250 hPa (unità: m, in contorni) tra Heating_exp e CTL_exp. Un’anomalia positiva di temperatura a 925 hPa e di GHT a 250 hPa sull’Europa occidentale corrobora l’ipotesi che il riscaldamento diabatico in Pakistan induca un sistema di alta pressione e un incremento delle temperature. Questo risultato valida il meccanismo teleconnettivo che collega le precipitazioni pakistane agli effetti termici osservati in Europa occidentale.

In sintesi, la Figura 4 illustra come le precipitazioni eccezionali in Pakistan nel luglio 2022, caratterizzate da un picco storico, abbiano attivato e sostenuto la fase positiva del pattern CGT, generando anomalie positive dell’altezza geopotenziale e della SAT in Europa occidentale attraverso la propagazione di onde di Rossby e la formazione di sistemi anticiclonici. Le simulazioni con il modello CAM5, confrontando Heating_exp e CTL_exp, confermano questa relazione causale, sottolineando l’importanza delle forzanti atmosferiche locali nel determinare impatti climatici a scala globale. Tali risultati offrono una base solida per comprendere i meccanismi sottostanti gli eventi di calore estremo e per migliorare le previsioni climatiche future.

Analisi estesa della Figura 5: L’impatto delle anomalie delle temperature superficiali del mare (SST) a forma di dipolo nell’Atlantico settentrionale sullo spostamento verso nord del flusso a getto del Nord Atlantico (NAJ) e sulle dinamiche climatiche

La Figura 5 offre un’analisi scientifica dettagliata e multidimensionale dell’influenza delle anomalie delle temperature superficiali del mare (SST) a forma di dipolo nell’Atlantico settentrionale (NAD) sullo spostamento verso nord del flusso a getto del Nord Atlantico (NAJ), con particolare attenzione alle condizioni osservate nel luglio 2022. La figura, composta da sei pannelli, integra dati osservativi regrediti su un arco temporale di 44 anni (1979-2022), analisi dei gradienti termici e risultati derivanti da simulazioni numeriche con il modello CAM5, fornendo un quadro integrato delle interazioni tra forzanti oceaniche e risposte atmosferiche. Di seguito, si presenta una descrizione esaustiva di ciascun pannello, con un’enfasi sulle implicazioni fisiche, statistiche e modellistiche che collegano le anomalie delle SST agli effetti climatici in Europa occidentale.

• Pannello (a) – Anomalie delle SST regredite sull’Indice del Flusso a Getto del Nord Atlantico (NAJI): Questo pannello espone una mappa delle anomalie delle SST di luglio (unità: °C, rappresentate in ombreggiatura) regredite sull’Indice del Flusso a Getto del Nord Atlantico (NAJI) per il periodo 1979-2022. Le regioni caratterizzate da tonalità blu, localizzate a latitudini settentrionali (sopra i 55°N), indicano anomalie negative delle SST, mentre quelle rosse, concentrate a latitudini più meridionali (sotto i 55°N), evidenziano anomalie positive. Questo pattern a dipolo, significativo al 95% di confidenza nelle aree punteggiate, riflette un gradiente termico che influenza la posizione del NAJ. Per quantificare tale configurazione, è stato introdotto un Indice del Dipolo delle SST (NADI), calcolato come la differenza tra le anomalie standardizzate e detrendate delle SST nella scatola meridionale (36°–2°W, 42°–52°N) e nella scatola settentrionale (36°–2°W, 56°–66°N), delimitate da scatole nere sulla mappa, offrendo una metrica oggettiva per il pattern NAD.
• Pannello (b) – Anomalie della temperatura dell’aria superficiale (SAT) e del vento orizzontale regredite sul NADI: Questo grafico illustra le anomalie della SAT (unità: °C, in ombreggiatura) e le anomalie del vento orizzontale (contorni, unità: m s⁻¹) regredite sul NADI per lo stesso periodo. Le anomalie positive della SAT, concentrate sull’Europa occidentale, sono accompagnate da pattern di vento anomali che suggeriscono un rafforzamento della circolazione anticiclonica. Questa correlazione evidenzia come le fasi positive del NAD, caratterizzate dal pattern a dipolo, siano associate a temperature superficiali più elevate, un effetto mediato dallo spostamento verso nord-est del NAJ, con implicazioni dirette per gli eventi di calore estremo.
• Pannello (c) – Anomalie del gradiente radiale delle SST e delle SST regredite sul NADI: Questo pannello presenta le anomalie del gradiente radiale delle SST (contorni, unità: 10⁻⁶ °C m⁻¹) e delle SST stesse (ombreggiatura, unità: °C) regredite sul NADI. Il pattern a dipolo è chiaramente delineato, con gradienti positivi che indicano un incremento della baroclinicità atmosferica nella fascia 50°–60°N. I contorni rossi (valori positivi), blu (valori negativi) e neri (valori nulli) forniscono una rappresentazione visiva della variabilità spaziale del gradiente, sottolineando come le anomalie delle SST modulino la struttura termica dell’atmosfera inferiore.
• Pannello (d) – Anomalie del tasso di crescita di Eady a 925 hPa e del forzante di vorticità transitoria a 250 hPa regredite sul NADI: Questo pannello espone le anomalie del tasso di crescita di Eady a 925 hPa (contorni, unità: giorno⁻¹), un indicatore della stabilità baroclina, e del forzante di vorticità transitoria a 250 hPa (ombreggiatura, unità: 10⁻¹¹ s⁻²) regredite sul NADI. Le anomalie positive del tasso di crescita e del forzante di vorticità, concentrate a nord del centro baroclinico, riflettono un’aumentata attività di eddie transitori. I contorni rossi (positivi), blu (negativi) e neri (zero) delimitano la distribuzione di queste variabili, indicando che il potenziamento della vorticità a livello superiore sostiene lo spostamento verso nord del NAJ attraverso un forzante dinamico.
• Pannello (e) – Differenze delle SST tra l’esperimento NAD+ e l’esperimento di controllo: Questo pannello mostra la distribuzione spaziale delle differenze delle SST (unità: °C, in ombreggiatura) tra l’esperimento NAD+, forzato con anomalie positive del NAD, e l’esperimento di controllo. Il pattern a dipolo è evidente, con anomalie positive a sud e negative a nord, confermando che la manipolazione delle SST riflette le condizioni osservate e influenza la circolazione atmosferica, validando l’ipotesi del ruolo del NAD.
• Pannello (f) – Differenze compositive di temperatura a 925 hPa e altezza geopotenziale a 250 hPa tra NAD+ e l’esperimento di controllo: Questo pannello illustra le differenze compositive della temperatura dell’aria a 925 hPa (unità: °C, in ombreggiatura) e dell’altezza geopotenziale a 250 hPa (contorni, unità: m) tra NAD+ e il controllo. Un’anomalia positiva di temperatura e GHT sull’Europa occidentale e sull’Atlantico settentrionale indica che la fase positiva del NAD induce un sistema di alta pressione, contribuendo a temperature più elevate. Questo risultato, derivato dalle simulazioni CAM5, corrobora il legame causale tra le anomalie delle SST e gli effetti termici osservati.

In conclusione, la Figura 5 dimostra che le anomalie delle SST a forma di dipolo nell’Atlantico settentrionale, quantificate dal NADI, giocano un ruolo determinante nello spostamento verso nord del NAJ, attraverso l’aumento della baroclinicità atmosferica e del forzante di vorticità transitoria generato dagli eddie. Le simulazioni con il modello CAM5 confermano che questa dinamica oceanico-atmosferica contribuisce significativamente alle alte temperature in Europa occidentale, fornendo una base robusta per comprendere i meccanismi sottostanti gli eventi climatici estremi e per affinare le proiezioni future, come rilevante per l’evento del luglio 2022.

Proiezioni future di eventi di alte temperature in Europa occidentale: un’analisi basata su modelli climatici e configurazioni dei flussi a getto

Il presente studio si avvale delle simulazioni fornite dai modelli climatici della sesta fase del Coupled Model Intercomparison Project (CMIP6) per stimare l’evoluzione degli eventi di alte temperature in Europa occidentale sotto una configurazione analoga dei flussi a getto, con particolare attenzione alle proiezioni future. Non tutti i modelli CMIP6 sono stati inclusi nell’analisi, poiché alcuni non riescono a replicare con precisione il legame tra le anomalie dei flussi a getto e la temperatura dell’aria superficiale (SAT) in Europa occidentale nelle simulazioni storiche. La Figura 6a presenta i coefficienti di correlazione tra l’Indice del Flusso a Getto del Nord Atlantico (NAJI) e la SAT in Europa occidentale, calcolati a partire dalle simulazioni storiche di 32 modelli CMIP6. È significativo osservare che la stragrande maggioranza di questi modelli ha riprodotto con successo una correlazione positiva tra la SAT in Europa occidentale e il NAJI. In dettaglio, 20 modelli hanno dimostrato una performance soddisfacente, con coefficienti di correlazione varianti tra 0,37 e 0,65, tutti statisticamente significativi al livello di confidenza del 95%. Come illustrato nella Figura 6b, 11 di questi modelli hanno altresì replicato efficacemente la relazione tra il pattern di teleconnessione circumglobale (CGT) e la SAT in Europa occidentale nelle simulazioni storiche, evidenziando una capacità selettiva nel catturare le dinamiche atmosferiche rilevanti.

Sulla base di questa valutazione, cinque modelli specifici (ACCESS-CM2, INM-CM5-0, IPSL-CM6A-LR, MPI-ESM1-2-HR e NorESM2-MM) si sono distinti per la loro capacità di riprodurre non solo la relazione tra il NAJI e la SAT in Europa occidentale, ma anche quella tra il pattern CGT e la stessa variabile climatica. Tale correlazione si mantiene valida anche su intervalli temporali più estesi, come documentato in Supplementary Fig. 11. La Figura 6c introduce un indice combinato, definito come la media tra il NAJI standardizzato e il CGTI standardizzato, concepito per descrivere la concomitanza dello spostamento verso nord-est del NAJ e della fase positiva del pattern CGT. Questo indice combinato esibisce un coefficiente di correlazione di 0,50 (P < 0,01) con la SAT in Europa occidentale nelle osservazioni, dimostrandosi particolarmente efficace nel rilevare il recente picco termico nella regione. Nelle simulazioni storiche dei cinque modelli selezionati, gli indici combinati presentano coefficienti di correlazione comparabili, oscillanti tra 0,50 e 0,69 (P < 0,01), confermando la validità della metodologia. Inoltre, questi modelli sono stati in grado di replicare i meccanismi fisici proposti nello studio: la fase positiva del pattern delle SST a forma di dipolo nell’Atlantico settentrionale (NAD) favorisce lo spostamento verso nord-est del NAJ, contribuendo al riscaldamento in Europa occidentale (Fig. 7a e 7b), mentre le precipitazioni in Pakistan inducono il pattern CGT anomalo, influenzando le variazioni della SAT nella stessa regione. Questi risultati rafforzano l’ipotesi che le variazioni della SAT in Europa occidentale siano il risultato di un’interazione sinergica tra il pattern NAD delle SST e le precipitazioni in Pakistan, mediate dalla modulazione dei flussi a getto.

Per estendere l’analisi al futuro, sono state effettuate proiezioni delle variazioni della SAT in Europa occidentale sotto una configurazione simile dei flussi a getto, utilizzando i cinque modelli selezionati. La Figura 8 confronta le osservazioni passate con le proiezioni future basate sugli scenari di percorsi socioeconomici condivisi (SSP2-4.5 e SSP5-8.5). Tutte le simulazioni indicano che la SAT in Europa occidentale tenderà ad aumentare quando si manifesta una configurazione simile dei flussi a getto (indice combinato superiore a 1,0 deviazione standard), e a diminuire in caso contrario. Sotto lo scenario SSP245, la media ensemblistica multimodello (MME) delle anomalie della SAT in Europa occidentale, rispetto alla media climatologica del periodo 2051-2100, raggiunge 0,53 ± 0,40 °C, mentre sotto lo scenario SSP585 tale valore sale a 1,56 ± 0,61 °C. Questi incrementi evidenziano il ruolo non trascurabile di questa specifica configurazione dei flussi a getto nel determinare le condizioni termiche future. Di particolare rilievo è la proiezione che, nel contesto del riscaldamento globale combinato con una configurazione analoga a quella osservata nel luglio 2022, l’anomalia di temperatura in Europa occidentale potrebbe attestarsi a 7,02 ± 0,61 °C rispetto alla media climatologica attuale. Tale intensità supera l’incremento medio delle temperature future in Europa occidentale (5,46 ± 0,43 °C) attribuibile esclusivamente al riscaldamento globale, calcolato come differenza tra la media climatologica futura sotto lo scenario SSP585 e quella attuale. Questi risultati collettivi suggeriscono che le future ondate di calore estreme in Europa occidentale saranno il prodotto combinato del riscaldamento globale di fondo e delle variabilità interannuali legate alla specifica configurazione dei flussi a getto. La ricorrenza di configurazioni simili dei flussi a getto amplificherà la frequenza e l’intensità di tali eventi estremi, con potenziali conseguenze per la salute pubblica, inclusi un aumento di infortuni e decessi correlati al calore, in un contesto di cambiamento climatico in corso.

Analisi approfondita della Figura 6: Valutazione delle prestazioni dei modelli CMIP6 nella riproduzione della relazione tra flussi a getto anomali e temperatura dell’aria superficiale (SAT) in Europa occidentale nelle simulazioni storiche

La Figura 6 offre un’analisi dettagliata e rigorosamente scientifica della capacità dei modelli climatici della sesta fase del Coupled Model Intercomparison Project (CMIP6) di replicare la relazione tra le configurazioni anomale dei flussi a getto e la temperatura dell’aria superficiale (SAT) in Europa occidentale, definita come la regione compresa tra 10°W–17.5°E e 35°–50°N, sulla base delle simulazioni storiche condotte nel periodo 1979-2014. La figura si articola in tre pannelli che integrano valutazioni statistiche comparative e rappresentazioni temporali, confrontando le prestazioni dei modelli con i dati osservativi estesi fino al 2022. Di seguito, si fornisce una descrizione esaustiva di ciascun pannello, con un’enfasi sulle implicazioni metodologiche e sulle dinamiche atmosferiche sottostanti.

• Pannello (a) – Coefficienti di correlazione tra l’Indice del Flusso a Getto del Nord Atlantico (NAJI) e la SAT: Questo pannello presenta un diagramma a barre che riporta i coefficienti di correlazione tra il NAJI, un indicatore dello spostamento del flusso a getto del Nord Atlantico (NAJ), e la SAT media di luglio in Europa occidentale, derivati dalle simulazioni storiche di 32 modelli CMIP6. I dati osservativi sono indicati con l’acronimo “OBS”. Le barre colorate identificano i modelli per i quali la correlazione risulta statisticamente significativa al 95% di confidenza, con valori che spaziano da 0,37 a 0,65. Tale intervallo riflette la capacità di 20 modelli di catturare con successo la relazione positiva tra lo spostamento verso nord-est del NAJ e l’incremento della SAT, fornendo una base solida per la selezione dei modelli più affidabili.
• Pannello (b) – Coefficienti di correlazione tra l’Indice di Teleconnessione Circumglobale (CGTI) e la SAT: Similmente al pannello precedente, questo diagramma a barre illustra i coefficienti di correlazione tra il CGTI, che misura l’intensità del pattern di teleconnessione circumglobale (CGT), e la SAT in Europa occidentale. Undici modelli emergono per la loro capacità di riprodurre una correlazione significativa al 95% di confidenza. Tra questi, cinque modelli specifici (ACCESS-CM2, INM-CM5-0, IPSL-CM6A-LR, MPI-ESM1-2-HR e NorESM2-MM), contrassegnati da triangoli verdi, si distinguono per la loro abilità nel simulare simultaneamente la relazione con entrambi gli indici (NAJI e CGTI), evidenziando una maggiore robustezza nella rappresentazione delle dinamiche atmosferiche complesse associate ai flussi a getto.
• Pannello (c) – Serie temporali dell’indice combinato e della SAT: Questo grafico espone le serie temporali della media ensemblistica multimodello derivata dai cinque modelli selezionati per l’indice combinato (linea blu), calcolato come la media del NAJI e del CGTI standardizzati, e della SAT in Europa occidentale (linea verde) nel periodo 1979-2014. Sono sovrapposte le serie osservative corrispondenti all’indice combinato (linea arancione) e alla SAT (linea rossa) per l’intervallo esteso 1979-2022. Le ombreggiature grigie delimitano gli anni di picco della SAT negli ultimi decenni, con un’enfasi particolare sul 2022, anno di un evento termico eccezionale. La sovrapposizione delle serie temporali rivela una correlazione significativa tra l’indice combinato e la SAT, sia nelle simulazioni che nelle osservazioni, con il picco del 2022 che sottolinea l’efficacia dell’indice nel catturare le variazioni termiche indotte dalle anomalie dei flussi a getto.

In sintesi, la Figura 6 evidenzia che, sebbene l’intero insieme di 32 modelli CMIP6 presenti una variabilità nelle prestazioni, un sottoinsieme di cinque modelli si distingue per la sua capacità di replicare con accuratezza sia la relazione tra il NAJI e la SAT che quella tra il CGTI e la SAT in Europa occidentale. L’introduzione di un indice combinato, che integra le informazioni derivanti da NAJI e CGTI, si rivela uno strumento analitico potente per correlare le configurazioni anomale dei flussi a getto con le fluttuazioni della SAT, fornendo una piattaforma affidabile per le successive proiezioni climatiche. Questa analisi non solo valida la scelta dei modelli selezionati, ma offre anche un quadro metodologico per interpretare gli impatti delle dinamiche atmosferiche sulle condizioni termiche regionali, con implicazioni rilevanti per la comprensione degli eventi estremi osservati e futuri.

Discussione: Sintesi e implicazioni delle dinamiche dei flussi a getto e delle forzanti climatiche nell’evento di caldo estremo del 2022 in Europa occidentale

In questo studio viene proposto un diagramma schematico (Figura 9) che integra e riassume i risultati principali emersi dall’analisi condotta, offrendo una rappresentazione sintetica delle dinamiche atmosferiche alla base dell’evento. Le temperature straordinariamente elevate registrate in Europa occidentale nel luglio 2022 sono state strettamente correlate allo spostamento verso nord-est del flusso a getto del Nord Atlantico (NAJ) e alla manifestazione di una fase eccezionalmente positiva del pattern di teleconnessione circumglobale (CGT). Tale configurazione ha posizionato l’Europa occidentale in una regione intermedia tra il NAJ e il flusso a getto eurasiatico (EAJ), contribuendo congiuntamente alla genesi di una circolazione anticiclonica anomala sulla zona e all’emergere di anomalie termiche estreme della temperatura dell’aria superficiale (SAT). In modo specifico, le variazioni nella localizzazione e nell’intensità del NAJ hanno esercitato un’influenza significativa sulle anomalie di subsidenza nelle sue regioni di uscita, amplificando gli effetti termici locali. Parallelamente, il pattern assimilabile al CGT ha favorito incrementi dell’altezza geopotenziale (GHT) e della SAT in Europa occidentale mediante la propagazione di onde di Rossby atmosferiche. Inoltre, le intense precipitazioni registrate in Pakistan hanno agito come un catalizzatore per l’induzione di un pattern CGT positivo attraverso effetti di riscaldamento diabatico, mentre la fase positiva del pattern delle temperature superficiali del mare a forma di dipolo nell’Atlantico settentrionale (NAD) ha promosso spostamenti verso nord-est del NAJ grazie all’azione di eddie transitori. Il monitoraggio sistematico di questi due fattori emergenti potrebbe rivelarsi uno strumento preziosissimo per anticipare e prevedere con maggiore accuratezza gli episodi di temperature estreme in Europa occidentale, migliorando la capacità di risposta agli eventi climatici avversi.

Gli eventi di caldo estremo rappresentano fenomeni multifattoriali di notevole complessità. La presente ricerca si concentra sull’analisi dei meccanismi fisici sottostanti la formazione di tale evento, adottando una prospettiva incentrata sui flussi a getto. Tuttavia, è importante riconoscere che altri elementi, come il cambiamento climatico indotto dall’attività umana o i deficit di umidità del suolo, hanno anch’essi contribuito a plasmare l’evento. Alcuni studi precedenti hanno esaminato l’impatto dell’alta pressione anticiclonica sulla siccità che ha interessato l’Europa e il Mediterraneo nel 2022, senza tuttavia approfondire i meccanismi di origine di tali sistemi di alta pressione o le forzanti atmosferico-oceaniche ad essi associate. Il nostro lavoro pone in evidenza come la specifica configurazione dei flussi a getto abbia rappresentato il fattore determinante di questo episodio, prevedendo che tale configurazione possa intensificare ulteriormente gli eventi di caldo estremo in Europa occidentale negli scenari futuri definiti dagli scenari di percorsi socioeconomici condivisi SSP245 e SSP585, caratterizzati da differenti livelli di emissioni di gas serra.

Tenendo conto della natura interconnessa del sistema atmosfera-oceano nell’Atlantico settentrionale, il ruolo delle temperature superficiali del mare (SST) e la loro interazione con il NAJ si rivelano estremamente complessi. Come rilevato da Barriopedro et al., “gli effetti della circolazione atmosferica sulle SST possono sovrapporsi e confondersi con le forzanti esercitate dalle SST stesse”. Un limite significativo del presente studio risiede nell’assenza di un’analisi dettagliata dell’interazione aria-mare, un aspetto critico che merita ulteriore attenzione. È plausibile che lo spostamento verso nord-est del NAJ possa a sua volta influire sul pattern NAD, creando un feedback dinamico. Questa interazione bidirezionale tra NAD e NAJI sarà oggetto di indagini più approfondite attraverso l’impiego di esperimenti con modelli climatici accoppiati in futuri studi, al fine di chiarire le complesse retroazioni tra oceano e atmosfera e di affinare le proiezioni climatiche future.

Analisi estesa della Figura 7: Capacità dei modelli CMIP6 ad alte prestazioni di replicare i meccanismi fisici sottostanti la relazione tra flussi a getto anomali e temperatura dell’aria superficiale (SAT) in Europa occidentale

La Figura 7 fornisce un’analisi scientifica approfondita della capacità dei modelli climatici della sesta fase del Coupled Model Intercomparison Project (CMIP6), selezionati per le loro elevate prestazioni nella simulazione della relazione tra flussi a getto anomali e la temperatura dell’aria superficiale (SAT) in Europa occidentale, di riprodurre i meccanismi fisici osservati. Basandosi su dati storici coprenti il periodo 1979-2014, la figura comprende quattro pannelli che illustrano le regressioni multimodello medie di variabili atmosferiche chiave regredite su indici specifici (NADI, NAJI e CGTI), utilizzando un sottoinsieme di cinque modelli ritenuti affidabili: ACCESS-CM2, INM-CM5-0, IPSL-CM6A-LR, MPI-ESM1-2-HR e NorESM2-MM. Di seguito, si offre una descrizione dettagliata di ciascun pannello, con un’enfasi sulle implicazioni fisiche, statistiche e modellistiche che collegano le forzanti atmosferiche e oceaniche agli effetti termici nella regione.

• Pannello (a) – Regressione multimodello delle anomalie del vento zonale di luglio sull’Indice del Dipolo delle Temperature Superficiali del Mare (NADI): Questo pannello espone la regressione media multimodello delle anomalie del vento zonale a luglio (unità: m s⁻¹, rappresentate in ombreggiatura) sull’Indice del Dipolo delle SST nell’Atlantico settentrionale (NADI) per il periodo considerato. Le aree punteggiate evidenziano regioni dove la significatività statistica al 95% di confidenza è raggiunta in oltre l’80% delle simulazioni storiche, indicando una robusta correlazione tra le anomalie del vento e il pattern NAD. Il risultato suggerisce che le fasi positive del NADI, caratterizzate da un gradiente termico a forma di dipolo con anomalie negative a nord e positive a sud, influenzano la circolazione atmosferica, favorendo lo spostamento verso nord-est del flusso a getto del Nord Atlantico (NAJ) e modulando così le condizioni meteorologiche regionali.
• Pannello (b) – Regressione multimodello delle anomalie della SAT sull’Indice del Flusso a Getto del Nord Atlantico (NAJI): Questo grafico illustra la regressione media multimodello delle anomalie della SAT (unità: °C, in ombreggiatura) sull’Indice del Flusso a Getto del Nord Atlantico (NAJI). Le anomalie positive della SAT, concentrate principalmente in Europa occidentale, riflettono l’impatto dello spostamento verso nord-est del NAJ, un fenomeno che amplifica le temperature superficiali attraverso l’induzione di subsidenza atmosferica. Le aree punteggiate, indicative di una significatività statistica superiore al 95% in oltre l’80% delle simulazioni, confermano la capacità dei modelli di replicare con accuratezza questa dinamica osservata, rafforzando la validità delle proiezioni climatiche basate su tale relazione.
• Pannello (c) – Regressione multimodello delle anomalie dell’altezza geopotenziale a 250 hPa (GHT) sulle precipitazioni in Pakistan: Questo pannello presenta la regressione media multimodello delle anomalie dell’altezza geopotenziale a 250 hPa (unità: m, in ombreggiatura) regredite sulle precipitazioni in Pakistan. Una vasta anomalia positiva si estende dall’Asia centro-occidentale verso l’Europa occidentale, suggerendo che le intense precipitazioni in Pakistan, attraverso effetti di riscaldamento diabatico, innescano un pattern di teleconnessione circumglobale (CGT) che si propaga sotto forma di onde di Rossby. Le aree punteggiate, che denotano significatività statistica al 95% in più dell’80% delle simulazioni, validano la coerenza dei modelli con i dati osservativi, evidenziando un meccanismo teleconnettivo cruciale per le variazioni termiche.
• Pannello (d) – Regressione multimodello delle anomalie della SAT sull’Indice di Teleconnessione Circumglobale (CGTI): Questo grafico espone la regressione media multimodello delle anomalie della SAT (unità: °C, in ombreggiatura) sul CGTI. Le anomalie positive della SAT in Europa occidentale indicano che la fase positiva del pattern CGT, indotta dalle precipitazioni in Pakistan, contribuisce all’innalzamento delle temperature superficiali tramite la stabilizzazione anticiclonica. Le aree punteggiate, che segnalano una significatività statistica al 95% in oltre l’80% delle simulazioni, corroborano la riproducibilità dei modelli di questa interazione dinamica, fornendo una base affidabile per le analisi climatiche future.

In sintesi, la Figura 7 illustra come i cinque modelli CMIP6 selezionati, riconosciuti per la loro affidabilità nella simulazione delle relazioni tra NAJI, CGTI e SAT, riescano a replicare con precisione i meccanismi fisici osservati. Le anomalie del vento zonale indotte dal NADI, le variazioni della SAT correlate al NAJI, le anomalie di GHT generate dalle precipitazioni in Pakistan e gli effetti del CGTI sulla SAT sono rappresentate con una significatività statistica robusta, superando la soglia del 95% di confidenza in oltre l’80% delle simulazioni storiche. Questi risultati non solo validano la scelta dei modelli, ma offrono anche un quadro scientifico solido per comprendere le interazioni tra forzanti oceaniche (NAD) e atmosferiche (precipitazioni in Pakistan) e per proiettare gli impatti futuri delle configurazioni dei flussi a getto su eventi di calore estremo in Europa occidentale, come quello osservato nel luglio 2022.

Analisi dettagliata della Figura 8: Dinamiche della temperatura dell’aria superficiale (SAT) in Europa occidentale in relazione a diverse configurazioni dei flussi a getto attraverso scenari climatici storici e futuri

La Figura 8 presenta un’analisi scientifica esaustiva delle variazioni della temperatura dell’aria superficiale (SAT) media in Europa occidentale, calcolata su un’area geografica compresa tra 10°W e 17.5°E di longitudine e tra 35°N e 50°N di latitudine, in risposta a diverse configurazioni dei flussi a getto determinate dall’indice combinato (basato sugli indici NAJI e CGTI). La figura si compone di sei pannelli, ciascuno dedicato a un modello climatico specifico della sesta fase del Coupled Model Intercomparison Project (CMIP6) o alla media ensemblistica multimodello (MME), integrando dati osservativi con simulazioni storiche e proiezioni future per indagare l’influenza delle dinamiche atmosferiche su scala regionale. I dati osservativi sono tratti dal dataset NCEP/NCAR-I per il periodo 1979-2022 (OBS), mentre le simulazioni storiche coprono il 1965-2014 (HIST) e le proiezioni future si estendono al 2051-2100 sotto gli scenari di percorsi socioeconomici condivisi SSP2-4.5 e SSP5-8.5. Di seguito, si fornisce una descrizione dettagliata di ciascun pannello, con un focus sulle implicazioni climatiche, sulla variabilità interannuale e sulla robustezza delle proiezioni.

• Pannello (a) – Modello ACCESS-CM2: Questo pannello espone la SAT media di luglio in Europa occidentale, calcolata per diverse fasi dell’indice combinato, utilizzando il modello ACCESS-CM2. Le barre rosse rappresentano la SAT negli anni caratterizzati da un indice combinato positivo, indicative di configurazioni dei flussi a getto associate a temperature più elevate, mentre le barre blu corrispondono agli anni con indice negativo, associati a condizioni più fresche. Le barre grigie denotano la media climatologica, ottenuta come media su tutti gli anni considerati, con gli errori sulle barre che riflettono una deviazione standard per quantificare la variabilità interannuale. I dati osservativi evidenziano un incremento della SAT negli anni con indice positivo, una tendenza che si rafforza nelle simulazioni storiche e si amplifica in modo marcato negli scenari futuri SSP2-4.5 e SSP5-8.5, suggerendo un’intensificazione degli effetti climatici indotti dalle forzanti antropogeniche.
• Pannello (b) – Modello INM-CM5-0: Questo grafico illustra la SAT media di luglio simulata dal modello INM-CM5-0, seguendo la stessa codifica cromatica. Le barre rosse indicano temperature più alte negli anni con indice combinato positivo, mentre le barre blu mostrano valori più bassi negli anni negativi. La media climatologica grigia, accompagnata dagli errori di deviazione standard, offre un contesto statistico per valutare la coerenza delle proiezioni, che prevedono un incremento progressivo della SAT, con variazioni dipendenti dalle specificità del modello, in linea con l’evoluzione degli scenari emissivi futuri.
• Pannello (c) – Modello IPSL-CM6A-LR: Basato sul modello IPSL-CM6A-LR, questo pannello presenta la SAT media di luglio, con barre rosse che evidenziano un aumento termico negli anni con indice combinato positivo e barre blu che indicano condizioni più fresche negli anni negativi. La media climatologica grigia e la deviazione standard forniscono un quadro statistico, confermando una risposta climatica coerente con gli altri modelli, con un’accelerazione del riscaldamento osservata negli scenari SSP2-4.5 e SSP5-8.5, riflettendo l’impatto delle crescenti emissioni di gas serra.
• Pannello (d) – Modello MPI-ESM1-2-HR: Questo grafico riporta la SAT media di luglio simulata dal modello MPI-ESM1-2-HR. Le barre rosse segnalano temperature più elevate negli anni con indice positivo, mentre le barre blu corrispondono a quelli negativi. La media climatologica grigia e gli errori standard evidenziano la variabilità tra le simulazioni, con una tendenza al rialzo della SAT che si fa più pronunciata nelle proiezioni future, in risposta all’intensificazione delle forzanti climatiche globali.
• Pannello (e) – Modello NorESM2-MM: Questo pannello espone i risultati del modello NorESM2-MM, con barre rosse che indicano un incremento della SAT negli anni con indice combinato positivo e barre blu per quelli negativi. La media climatologica grigia e la deviazione standard offrono una misura della variabilità interannuale, mostrando una dinamica coerente con gli altri modelli e un aumento significativo della SAT previsto negli scenari SSP2-4.5 e SSP5-8.5.
• Pannello (f) – Media Ensemblistica Multimodello (MME): Questo pannello integra i dati dei cinque modelli (ACCESS-CM2, INM-CM5-0, IPSL-CM6A-LR, MPI-ESM1-2-HR e NorESM2-MM) in una media ensemblistica multimodello (MME), fornendo una sintesi robusta delle proiezioni. Le barre rosse indicano una SAT più alta negli anni con indice combinato positivo, le barre blu negli anni negativi, e la media climatologica grigia rappresenta un valore di riferimento aggregato. Gli errori di deviazione standard riflettono la dispersione tra i modelli, ma la tendenza generale evidenzia un incremento della SAT negli scenari futuri, con un’intensificazione più evidente sotto lo scenario SSP5-8.5, dove l’influenza combinata delle configurazioni dei flussi a getto e del riscaldamento globale risulta particolarmente pronunciata.

In sintesi, la Figura 8 illustra come la SAT in Europa occidentale risponda in modo differenziato alle fasi dell’indice combinato, con incrementi significativi negli anni caratterizzati da configurazioni positive dei flussi a getto, riflesse dallo spostamento verso nord-est del NAJ e dalla fase positiva del pattern CGT. Le simulazioni storiche, ancorate ai dati osservativi, confermano questa correlazione, mentre le proiezioni future sotto gli scenari SSP2-4.5 e SSP5-8.5 indicano un’amplificazione dell’effetto, con la media ensemblistica che offre una stima consolidata dell’impatto delle dinamiche atmosferiche e delle forzanti climatiche sull’evoluzione termica regionale. Questi risultati forniscono una base scientifica cruciale per valutare la crescente vulnerabilità dell’Europa occidentale a eventi di calore estremo, come quello osservato nel luglio 2022, in un contesto di cambiamento climatico globale.

Metodi: Approccio metodologico per l’analisi dei dati osservativi, di rianalisi e delle dinamiche climatiche

Dataset osservativi e di rianalisi
La presente ricerca fa ricorso a un insieme selezionato di dataset osservativi e di rianalisi per condurre un’analisi dettagliata delle variabili atmosferiche pertinenti. Nello specifico, sono stati impiegati: (a) il dataset giornaliero e mensile di rianalisi prodotto dal National Centers for Environmental Prediction e dal National Center for Atmospheric Research (NCEP/NCAR) Reanalysis I, che comprende la temperatura dell’aria superficiale (SAT) al livello sigma-995, l’altezza geopotenziale (GHT), la temperatura dell’aria, i componenti dei venti orizzontali e verticali, oltre al flusso netto di radiazione a onde corte, con una risoluzione spaziale di 2,5° di latitudine per 2,5° di longitudine; (b) il dataset Climate Prediction Center Merged Analysis of Precipitation (CMAP), anch’esso caratterizzato da una griglia di 2,5° × 2,5°, utile per l’analisi delle precipitazioni; (c) il dataset National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) Extended Reconstructed Sea Surface Temperature versione 5 (ERSST v5), fornito con una risoluzione di 2° × 2°, essenziale per lo studio delle temperature superficiali del mare. L’intervallo temporale considerato per l’analisi si estende dal 1979 al 2022, e la media climatologica è stata determinata come valore medio calcolato su tale periodo, garantendo una base rappresentativa per le comparazioni.

Analisi di regressione e metodologia di analisi composita
Per quantificare le relazioni tra le diverse serie temporali analizzate, è stato adottato un approccio basato sul calcolo del coefficiente di regressione, impiegando un modello di regressione lineare che descrive la dipendenza tra due variabili. In tale modello, il coefficiente di regressione indica la pendenza della relazione, l’intercetta rappresenta il valore di base quando la variabile indipendente è nulla, e il residuo comprende la componente non spiegata dal modello. La significatività statistica di questi coefficienti di regressione è stata rigorosamente valutata tramite un test t bilaterale di Student, assicurando che le correlazioni rilevate siano statisticamente robuste.
Parallelamente, è stata implementata una metodologia di analisi composita per esaminare il comportamento dei flussi a getto sotto diverse condizioni atmosferiche. Questo approccio prevede la classificazione degli anni in base alla positività o negatività dell’indice considerato, identificando come anni positivi (negativi) quelli in cui l’indice supera (è inferiore a) una deviazione standard dalla media (si rimanda a Supplementary Table 2 per i dettagli). La significatività statistica delle differenze tra gli anni con indice positivo o negativo e la media climatologica è stata accertata mediante un ulteriore test t bilaterale di Student, permettendo di isolare e caratterizzare con precisione le variazioni indotte dalle configurazioni anomale dei flussi a getto. Questa combinazione di tecniche statistiche fornisce un quadro metodologico solido per l’interpretazione dei dati e la validazione dei risultati climatici presentati.

Attività delle onde atmosferiche: Analisi delle dinamiche ondulatorie associate al pattern di teleconnessione circumglobale

In questo studio, il flusso delle onde atmosferiche è stato adottato come strumento analitico per caratterizzare e quantificare le fluttuazioni ondulatorie connesse al pattern di teleconnessione circumglobale (CGT), un fenomeno climatico di rilevanza su scala emisferica. La stima del flusso delle onde si basa su un approccio metodologico sviluppato da Takaya e Nakamura, che integra una serie di parametri fisici essenziali. Tali parametri includono la pressione atmosferica normalizzata, il raggio terrestre, i venti zonali e meridionali derivati dalle medie climatologiche, la velocità media di tali venti, le anomalie della funzione di corrente – un indicatore della circolazione atmosferica – e le coordinate geografiche di latitudine e longitudine. Per ottenere una rappresentazione più dettagliata e strutturata delle attività ondulatorie, sono state selezionate le componenti delle anomalie della funzione di corrente associate ai numeri d’onda zonali compresi tra 1 e 6, consentendo di isolare le onde di scala sinottica più rilevanti. Le medie climatologiche e le relative perturbazioni sono state determinate considerando il periodo di riferimento 1979-2022, garantendo una base temporale coerente con l’intervallo di studio e un’adeguata rappresentazione delle condizioni atmosferiche di lungo termine.

Baroclinicità atmosferica e forzante dinamico degli eddie transitori: Meccanismi di interazione nell’atmosfera a medie latitudini

L’atmosfera delle medie latitudini è caratterizzata da una pronunciata baroclinicità e da una marcata variabilità interna, fattori che favoriscono lo sviluppo di flussi a getto e di eddie transitori, vortici atmosferici temporanei di importanza cruciale. In questo lavoro, la baroclinicità atmosferica è stata quantificata attraverso il tasso di crescita di Eady, un parametro che dipende da variabili fisiche come il parametro di Coriolis, la frequenza di galleggiamento – un indicatore della stabilità stratificata – e la componente del vento zonale. Un incremento della baroclinicità atmosferica facilita la conversione dell’energia potenziale disponibile in energia cinetica per le perturbazioni atmosferiche, creando condizioni favorevoli alla formazione e all’evoluzione degli eddie transitori. Questi ultimi giocano un ruolo fondamentale nella ridistribuzione di calore e quantità di moto all’interno dell’atmosfera, contribuendo attivamente a sostenere e modulare la circolazione atmosferica su larga scala. L’influenza esercitata dagli eddie transitori sulla dinamica atmosferica può essere analizzata considerando due aspetti principali: il riscaldamento transitorio, determinato dalla convergenza tridimensionale dei flussi di calore generati da tali vortici, e il forzante di vorticità transitoria, che risulta dalla convergenza del trasporto del flusso di vorticità. Nel contesto di questa analisi, i valori medi sono stati calcolati sulla base delle medie mensili di luglio, mentre le deviazioni rappresentano le fluttuazioni rispetto a tale media, permettendo di isolare gli effetti delle perturbazioni atmosferiche stagionali. Questa metodologia fornisce un quadro integrato per comprendere le interazioni tra baroclinicità, eddie transitori e circolazione atmosferica, con implicazioni significative per l’interpretazione degli eventi climatici estremi.

Metodi: Strategie analitiche e sperimentali per l’analisi delle dinamiche climatiche e delle forzanti atmosferiche

Dataset osservativi e di rianalisi
La presente ricerca si basa su una selezione accurata di dataset osservativi e di rianalisi per condurre un’analisi dettagliata delle variabili atmosferiche e oceaniche rilevanti. Sono stati inclusi: (a) il dataset di rianalisi giornaliero e mensile elaborato dal National Centers for Environmental Prediction e dal National Center for Atmospheric Research (NCEP/NCAR) Reanalysis I, che fornisce dati sulla temperatura dell’aria superficiale (SAT) al livello sigma-995, l’altezza geopotenziale (GHT), la temperatura dell’aria, i componenti dei venti orizzontali e verticali e il flusso netto di radiazione a onde corte, con una risoluzione spaziale di 2,5° di latitudine per 2,5° di longitudine; (b) il dataset Climate Prediction Center Merged Analysis of Precipitation (CMAP), caratterizzato dalla stessa risoluzione di 2,5° × 2,5°, essenziale per lo studio delle precipitazioni globali; (c) il dataset National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) Extended Reconstructed Sea Surface Temperature versione 5 (ERSST v5), dotato di una griglia di 2° × 2°, cruciale per l’analisi delle temperature superficiali del mare. L’intervallo temporale analizzato si estende dal 1979 al 2022, con la media climatologica calcolata come valore medio su questo stesso periodo, assicurando una rappresentazione rappresentativa delle condizioni di base per le successive comparazioni e analisi.

Esperimenti con il modello di circolazione atmosferica generale
Per esplorare l’impatto delle precipitazioni in Pakistan e delle anomalie delle temperature superficiali del mare (SST) a forma di dipolo nell’Atlantico settentrionale (NAD) sulle temperature eccezionalmente elevate registrate in Europa occidentale nel mese di luglio, sono stati condotti tre esperimenti numerici utilizzando la versione 5 del Community Atmospheric Model (CAM5). Questo modello si è dimostrato altamente efficace nel riprodurre con precisione lo stato climatico medio ed è stato ampiamente adottato in studi correlati. Gli esperimenti sono stati eseguiti con un componente FC5, caratterizzato da una risoluzione orizzontale approssimativa di 1° di longitudine per 1° di latitudine e 31 livelli verticali. I tre scenari sperimentali comprendono: l’esperimento di controllo (CTL_exp), forzato dalle SST predefinite dal modello; l’esperimento Heating_exp, che integra una forzante di riscaldamento diabatico atmosferico anomalo raddoppiata nella regione settentrionale del Pakistan (65°E–77.5°E, 26°N–37°N) nel mese di giugno e triplicata nella regione del Pakistan (65°E–77.5°E, 22.5°N–35°N) nel mese di luglio; e l’esperimento NAD+, forzato da un campo di SST ricostruito aggiungendo le anomalie delle SST di luglio nella regione 38°N–72°N, 60°W–2°W durante le fasi positive del NAD alle SST di base del modello. Ogni simulazione è stata condotta per un periodo di 23 anni, e i risultati sono stati confrontati utilizzando la media ensemblistica degli ultimi 20 anni, garantendo una stabilizzazione delle dinamiche climatiche simulate.

Output dei modelli CMIP6
Per stimare le variazioni future degli eventi di alte temperature estreme in Europa occidentale sotto una configurazione simile dei flussi a getto, sono state impiegate le simulazioni dei modelli CMIP6. Cinque modelli (ACCESS-CM2, INM-CM5-0, IPSL-CM6A-LR, MPI-ESM1-2-HR e NorESM2-MM) sono stati selezionati per la loro superiore capacità di simulare la relazione osservata tra i flussi a getto e la SAT in Europa occidentale, basata su simulazioni storiche per il periodo 1979-2014. Queste simulazioni sono state utilizzate per proiettare temperature estremamente elevate in Europa occidentale per il periodo 2051-2100 sotto due scenari di percorsi socioeconomici condivisi (SSP2-4.5 e SSP5-8.5). Per uniformare l’analisi con la risoluzione spaziale delle osservazioni, tutti i dati sono stati interpolati su una griglia standard di 2,5° × 2,5° prima dell’elaborazione. È stato considerato esclusivamente il primo membro ensemblistico di ciascun modello. Ulteriori dettagli sui modelli CMIP6 impiegati sono riportati in Supplementary Table 1.

Informazioni statistiche
La significatività statistica dei coefficienti di regressione stimati e dei risultati dell’analisi composita è stata valutata mediante un test t bilaterale di Student. Un livello di confidenza superiore al 95% è stato adottato come soglia per considerare i risultati statisticamente significativi, assicurando la robustezza delle conclusioni statistiche.

Disponibilità dei dati
Tutti i dataset utilizzati in questo studio sono liberamente accessibili online. Il dataset NCEP/NCAR-I può essere scaricato dal sito https://psl.noaa.gov/data/gridded/data.ncep.reanalysis.html. Il dataset CMAP è disponibile pubblicamente all’indirizzo https://psl.noaa.gov/data/gridded/data.cmap.html. Il dataset NOAA ERSST v5 può essere ottenuto da https://psl.noaa.gov/data/gridded/data.noaa.ersst.v5.html. I dati CMIP6 sono accessibili tramite il portale https://esgf-data.dkrz.de/search/cmip6-dkrz/.

Analisi estesa della Figura 9: Rappresentazione concettuale dei meccanismi fisici alla base degli eventi di caldo eccezionale in Europa occidentale nel luglio 2022

La Figura 9 propone un diagramma concettuale dettagliato e scientificamente strutturato che sintetizza i meccanismi fisici sottostanti gli eventi di caldo straordinario osservati in Europa occidentale nel luglio 2022, integrando le interazioni tra forzanti oceaniche, dinamiche atmosferiche e configurazioni anomale dei flussi a getto. Questo schema visivo serve come strumento interpretativo per comprendere la complessità delle condizioni climatiche che hanno determinato l’innalzamento delle temperature superficiali, con un’attenzione particolare ai ruoli del flusso a getto del Nord Atlantico (NAJ) e del flusso a getto eurasiatico (EAJ) nel contesto del pattern di teleconnessione circumglobale (CGT). Di seguito, si offre una descrizione approfondita dei componenti principali, con un’enfasi sulle interazioni causali e sugli effetti osservati.

• Influenza del pattern a dipolo delle SST nell’Atlantico settentrionale e spostamento del NAJ: Il diagramma evidenzia come un pattern delle temperature superficiali del mare (SST) a forma di dipolo nell’Atlantico settentrionale abbia agito come forzante iniziale, inducendo uno spostamento verso nord-est del NAJ. Questo movimento è raffigurato da una freccia verde spessa che si curva verso l’Europa occidentale, mediato da un forzante dinamico generato dagli eddie transitori. Tali vortici atmosferici, rappresentati da frecce curve nere, riflettono l’interazione tra le anomalie termiche oceaniche e la circolazione atmosferica a livello superiore, amplificando la traiettoria settentrionale del NAJ e preparando le condizioni per un’anomalia termica downstream.
• Contributo delle precipitazioni in Pakistan e curvatura dell’EAJ: Le precipitazioni intense registrate in Pakistan sono indicate come un elemento cruciale che sostiene la fase positiva del pattern CGT, illustrata dalla sequenza anticiclone-ciclone-anticiclone (A-C-A). Questo processo dinamico è visualizzato da una freccia verde che si incurva verso nord sopra la penisola indiana, riflettendo la curvatura dell’EAJ. Tale configurazione è attribuita agli effetti di riscaldamento diabatico indotti dalle piogge, che alterano la struttura termica dell’atmosfera e generano onde atmosferiche capaci di propagarsi su scala emisferica, influenzando la circolazione del getto eurasiatico.
• Impatto combinato sulla termodinamica in Europa occidentale: L’Europa occidentale è posizionata strategicamente al centro del diagramma, situata tra il NAJ spostato verso nord-est e l’EAJ curvato verso nord. Questa collocazione geografica favorisce la formazione di un’area di alta pressione anticiclonica (simbolo A), rappresentata da un’ellisse rossa etichettata come “high temperature”, che indica la regione di temperature elevate. La subsidenza atmosferica, illustrata da frecce rosse, rappresenta il movimento discendente dell’aria che, comprimendosi, genera un riscaldamento adiabatico. Questo processo è il meccanismo primario che ha determinato le anomalie positive della SAT (temperature superficiali più alte) nella regione, amplificando l’effetto termico complessivo.
• Contesto dinamico e interazioni aggiuntive: Il diagramma include simboli aggiuntivi per contestualizzare le dinamiche atmosferiche, come un anticiclone (A) e un ciclone (C), che delineano la struttura ondulatoria tipica del pattern CGT. Le linee blu tratteggiate indicano un doppio pattern delle SST (SST double), suggerendo la presenza di gradienti termici complessi, mentre le frecce verdi rappresentano i flussi a getto (jet stream) in movimento. La subsidenza e il forzante degli eddie transitori sono identificati come processi intermedi chiave che collegano le forzanti iniziali – il pattern NAD delle SST e le precipitazioni in Pakistan – agli effetti termici finali osservati in Europa occidentale.

In conclusione, la Figura 9 offre un modello concettuale integrato in cui il pattern a dipolo delle SST nell’Atlantico settentrionale, attraverso l’azione degli eddie transitori, induce uno spostamento verso nord-est del NAJ, mentre le precipitazioni in Pakistan, mediate dal pattern CGT, provocano una curvatura verso nord dell’EAJ. Questa configurazione anomala dei flussi a getto, combinata con la subsidenza atmosferica risultante, ha generato le temperature eccezionalmente elevate in Europa occidentale nel luglio 2022. Il diagramma non solo chiarisce i meccanismi causali alla base dell’evento, ma fornisce anche un quadro teorico utile per anticipare e analizzare eventi climatici simili in futuro, considerando l’evoluzione delle forzanti climatiche globali.

https://doi.org/10.1038/s41612-024-00880-2