HaoxiangWanga,JianRaoa,∗,DongGuoa,YiminLiub,YixiongLuc
aStateKeyLaboratoryofEnvironmentCharacteristicsandEffectsforNear-space/KeyLaboratoryofMeteorologicalDisasterofMinistryofEducation,NanjingUniversity
ofInformationScienceandTechnology,Nanjing,China
bStateKeyLaboratoryofNumericalModelingforAtmosphericSciencesandGeophysicalFluidDynamics,InstituteofAtmosphericPhysics,ChineseAcademyofSciences,
Beijing,China
cCenterforEarthSystemModelingandPrediction,ChinaMeteorologicalAdministration,Beijing,China
La variabilità della circolazione atmosferica invernale dell’emisfero boreale deriva dall’interazione di processi che agiscono su scale spaziali e temporali molto differenti. Tra questi, El Niño–Southern Oscillation (ENSO) e la Quasi-Biennial Oscillation (QBO) rappresentano due delle principali sorgenti di variabilità interannuale del sistema atmosferico. ENSO ha origine principalmente dall’accoppiamento oceano–atmosfera nel Pacifico tropicale, mentre la QBO costituisce un’oscillazione prevalentemente stratosferica caratterizzata dall’alternanza di regimi di vento zonale orientale e occidentale che discendono progressivamente attraverso la stratosfera equatoriale. Sebbene i due fenomeni abbiano origini dinamiche profondamente diverse, entrambi possono modificare la propagazione delle onde atmosferiche, la circolazione stratosferica extratropicale, il vortice polare e, attraverso meccanismi di accoppiamento verticale, la circolazione troposferica delle medie e alte latitudini. È proprio l’interferenza tra queste due sorgenti di variabilità a costituire il problema centrale affrontato da Wang, Rao, Guo, Liu e Lu nello studio “Limited nonlinearity of joint ENSO–QBO effects from the stratosphere to the troposphere”, pubblicato nel 2026 su Atmospheric and Oceanic Science Letters. Gli autori mostrano che la risposta atmosferica combinata a ENSO e QBO è sorprendentemente vicina a una sovrapposizione lineare nella stratosfera, mentre diventa progressivamente più complessa e non lineare scendendo verso la troposfera, soprattutto alle alte latitudini dell’emisfero settentrionale.
Per comprendere l’importanza di questo risultato è necessario distinguere il concetto di risposta lineare da quello di risposta non lineare. In un sistema perfettamente lineare, l’anomalia atmosferica generata contemporaneamente da ENSO e QBO sarebbe sostanzialmente uguale alla somma delle anomalie prodotte separatamente dai due fenomeni. Se, per esempio, El Niño tendesse a indebolire il vortice polare di una certa quantità e una determinata fase della QBO producesse un secondo indebolimento, l’effetto congiunto sarebbe semplicemente la somma dei due contributi. L’atmosfera reale, tuttavia, è un sistema dinamico fortemente complesso, nel quale la presenza di una perturbazione può modificare l’ambiente nel quale agisce l’altra. La QBO può cambiare la struttura dei venti stratosferici attraverso i quali devono propagarsi le onde planetarie generate dalla troposfera, mentre ENSO può modificare sia la sorgente sia la propagazione di queste onde. Ne consegue che il contributo di ENSO può dipendere dalla fase della QBO e, analogamente, la teleconnessione della QBO verso le alte latitudini può cambiare a seconda dello stato del Pacifico tropicale.
Il lavoro di Wang e colleghi affronta specificamente questo problema cercando innanzitutto di isolare, per quanto possibile, i segnali “puri” dei due fenomeni. Questa operazione metodologica è particolarmente importante perché ENSO e QBO non sono statisticamente e dinamicamente completamente indipendenti. Se si costruissero semplicemente dei compositi degli inverni caratterizzati dalle diverse fasi della QBO senza tenere conto dello stato di ENSO, una parte del segnale attribuito alla QBO potrebbe in realtà riflettere una distribuzione non uniforme degli eventi El Niño e La Niña. Lo stesso problema potrebbe verificarsi in senso inverso. Gli autori eliminano quindi la possibile contaminazione reciproca prima di confrontare la somma dei segnali ENSO e QBO isolati con le anomalie osservate quando i due fenomeni si presentano contemporaneamente. Tale impostazione consente di porre una domanda molto precisa: quanto della circolazione osservata durante, per esempio, un inverno El Niño–EQBO può essere spiegato semplicemente sommando il contributo di El Niño a quello della QBO orientale e quanto, invece, deriva dall’interazione tra i due fenomeni?
Il risultato principale è che nella stratosfera la risposta combinata può essere descritta in larga misura attraverso una sovrapposizione lineare. Il segnale associato alle differenti configurazioni ENSO–QBO è cioè generalmente molto simile alla somma delle rispettive risposte individuali. Questa conclusione rafforza quanto gli stessi autori avevano già evidenziato in precedenti analisi basate sui modelli CMIP5 e CMIP6. In uno studio del 2024 pubblicato su Climate Dynamics, Wang e colleghi avevano analizzato 18 modelli capaci di rappresentare la QBO e avevano valutato la risposta stratosferica alle quattro principali configurazioni: El Niño–EQBO, El Niño–WQBO, La Niña–EQBO e La Niña–WQBO. La capacità dei modelli di simulare realisticamente le teleconnessioni di ENSO e QBO costituiva un elemento fondamentale dell’analisi, perché una rappresentazione insufficiente della QBO o della risposta stratosferica a ENSO può inevitabilmente alterare la valutazione della loro interazione.
La relativa linearità riscontrata nella stratosfera non significa però che ENSO e QBO agiscano attraverso gli stessi meccanismi. La QBO influenza la circolazione extratropicale principalmente modificando la struttura del vento zonale tropicale e subtropicale e, di conseguenza, le condizioni di propagazione delle onde planetarie. Il legame classico tra QBO e vortice polare è rappresentato dall’effetto Holton–Tan. Le analisi pionieristiche di Holton e Tan mostrarono che la fase della QBO nella bassa stratosfera equatoriale è associata a modificazioni statisticamente riconoscibili della circolazione polare boreale. In termini generali, la fase orientale della QBO nella bassa stratosfera è associata a condizioni maggiormente favorevoli alla propagazione delle onde planetarie verso le alte latitudini e a un vortice polare mediamente più debole e caldo, mentre la fase occidentale tende a essere associata a un vortice mediamente più intenso. Studi successivi hanno tuttavia dimostrato che questa relazione è sensibile alla stagione, alla struttura verticale della QBO, alla variabilità decennale e alla presenza di altre forzanti atmosferiche.
Il meccanismo fisico non può quindi essere ridotto semplicemente alla direzione dei venti equatoriali. Le anomalie della QBO modificano la struttura meridionale del vento zonale e quindi l’indice di rifrazione delle onde di Rossby, alterando i percorsi attraverso i quali l’attività ondulatoria proveniente dalla troposfera può penetrare nella stratosfera. Quando aumenta la convergenza del flusso d’onda nella stratosfera polare, il flusso medio occidentale viene decelerato e la circolazione meridionale residua tende a intensificare la subsidenza sopra la regione polare. La compressione adiabatica associata alla discesa dell’aria contribuisce al riscaldamento della stratosfera polare e all’indebolimento del vortice. Una minore attività ondulatoria produce invece condizioni più favorevoli al mantenimento di un vortice freddo, profondo e dinamicamente isolato. La letteratura moderna sottolinea inoltre come il cosiddetto effetto Holton–Tan non dipenda da un unico meccanismo, ma dal risultato complessivo della modificazione delle guide d’onda, della circolazione secondaria indotta dalla QBO e dell’interazione tra onde e flusso medio.
ENSO agisce sulla stratosfera attraverso una catena dinamica differente. Le anomalie delle temperature superficiali del Pacifico tropicale modificano profondamente la convezione tropicale e la distribuzione del riscaldamento atmosferico. Questo cambiamento influenza la circolazione di Walker, i getti subtropicali e le sorgenti delle onde planetarie. Durante gli eventi El Niño, la redistribuzione della convezione tropicale tende a modificare in particolare le onde planetarie di grande scala che si propagano verso l’emisfero settentrionale. Una parte di questa attività ondulatoria può raggiungere la stratosfera, interagire con il flusso zonale e modificare il vortice polare. La risposta media osservata durante molti eventi El Niño è quindi caratterizzata da una maggiore perturbazione del vortice, anche se l’intensità, la tempistica e persino la struttura spaziale della teleconnessione dipendono dal tipo di evento ENSO, dallo stato della stratosfera e dalla variabilità interna dell’atmosfera.
Quando ENSO e QBO operano contemporaneamente, entrambe possono dunque intervenire sulla stessa componente dinamica fondamentale: la propagazione delle onde planetarie e la loro interazione con il flusso medio. Proprio per questo sarebbe intuitivo aspettarsi una forte non linearità. Già Calvo e collaboratori, utilizzando il modello MAECHAM5, avevano mostrato nel 2009 che la risposta del vortice polare a un ENSO caldo poteva dipendere dalla fase della QBO. Nei loro esperimenti, il riscaldamento e l’indebolimento del vortice associati a ENSO caldo risultavano modificati dalla QBO; inoltre, la fase occidentale tendeva a ritardare l’insorgenza del segnale ENSO, mentre quella orientale tendeva ad anticiparlo. Gli autori identificarono un comportamento non lineare particolarmente evidente quando El Niño e QBO orientale agivano simultaneamente, attribuendolo alla combinazione tra variazioni del flusso medio generate dalla QBO e modificazioni della propagazione e dissipazione delle onde extratropicali indotte da ENSO.
Il nuovo lavoro di Wang e colleghi non nega l’esistenza di questi processi. Introduce piuttosto una distinzione fondamentale tra la presenza locale di interazioni non lineari e il peso che queste interazioni assumono rispetto all’intera anomalia atmosferica. Anche se numerosi processi dinamici sono intrinsecamente non lineari, l’anomalia finale della circolazione stratosferica può risultare, su larga scala, molto vicina alla somma dei due segnali indipendenti. In altre parole, non è necessario che i meccanismi fisici siano matematicamente lineari perché la struttura spaziale complessiva delle anomalie possa mostrare un elevato grado di additività. Ed è precisamente questa apparente contraddizione a rendere particolarmente interessante il risultato.
La situazione cambia gradualmente scendendo dalla stratosfera verso la troposfera. Wang e colleghi mostrano che il grado di linearità diminuisce, mentre cresce il contributo delle componenti non lineari. Questa transizione verticale è fisicamente plausibile. Nella stratosfera, soprattutto su scala zonale e planetaria, la dinamica è relativamente più ordinata e le anomalie generate da ENSO e QBO possono manifestarsi attraverso strutture su vasta scala. Nella troposfera, al contrario, il segnale proveniente dall’alto entra in un ambiente caratterizzato da intensa variabilità sinottica, interazioni eddy–mean flow, getti, blocchi atmosferici, storm track, gradienti termici superficiali e feedback legati all’oceano e alla criosfera. Una piccola differenza nella struttura iniziale del flusso può quindi modificare la propagazione delle onde di Rossby e produrre risposte regionali molto differenti.
Particolarmente importante è la distribuzione geografica della non linearità. Nella troposfera tropicale e alle basse e medie latitudini, la risposta alle configurazioni ENSO–QBO conserva ancora una forte componente lineare. Qui una parte consistente dell’anomalia può essere ricostruita sommando il contributo ENSO e quello QBO. Alle alte latitudini, invece, la componente non lineare acquista rapidamente importanza e può diventare dominante nella struttura dell’anomalia complessiva. Secondo Wang e colleghi, questo comportamento è particolarmente pronunciato nella configurazione El Niño–EQBO, nella quale il segnale ENSO può prevalere su quello della QBO nella troposfera artica.
L’Artico rappresenta effettivamente una regione nella quale anche piccole differenze nella circolazione stratosferica possono essere amplificate dalla dinamica troposferica. L’accoppiamento stratosfera–troposfera non consiste infatti in una semplice propagazione verticale passiva delle anomalie. Un vortice polare indebolito può favorire una configurazione della circolazione troposferica simile alla fase negativa del Northern Annular Mode o, in determinate circostanze, della North Atlantic Oscillation, ma questa relazione è probabilistica e dipende fortemente dalla struttura e dalla persistenza della perturbazione stratosferica. Gli eddies troposferici possono inoltre rafforzare o attenuare il segnale proveniente dall’alto mediante feedback con il getto. Di conseguenza, due anomalie stratosferiche relativamente simili possono produrre risposte superficiali sensibilmente differenti.
Questo quadro aiuta anche a comprendere perché alcuni studi abbiano identificato una maggiore non linearità nella regione nord-atlantica. Ma e collaboratori, in uno studio del 2023, hanno mostrato attraverso rianalisi e simulazioni modellistiche che ENSO e QBO possono interagire non linearmente nell’influenzare la circolazione invernale del Nord Atlantico. Durante El Niño, la teleconnessione della QBO sembra operare maggiormente attraverso una via subtropicale che coinvolge modificazioni del jet subtropicale Pacifico–Atlantico, mentre durante La Niña acquista maggiore importanza una via polare mediata dalla risposta del vortice stratosferico. Questo significa che la stessa QBO può comunicare con la troposfera attraverso percorsi dinamici differenti a seconda dello stato di ENSO.
Anche Kumar e collaboratori hanno evidenziato, analizzando le rianalisi ERA-Interim per il periodo 1979–2018, l’esistenza di molteplici percorsi attraverso i quali QBO ed ENSO possono modificare la circolazione boreale. Gli autori distinguono un percorso stratosferico, collegato alla modulazione della propagazione e dell’assorbimento delle onde planetarie e quindi all’effetto Holton–Tan, e un percorso più direttamente troposferico, nel quale la QBO influenza la regione tropicale e subtropicale dell’alta troposfera e della bassa stratosfera. Nelle loro analisi i segnali QBO nel vortice polare risultano amplificati durante La Niña, mentre le differenti combinazioni tra ENSO e QBO determinano strutture distinte del jet subtropicale e delle onde planetarie.
Esperimenti multimodello più recenti rafforzano l’idea che la dipendenza della teleconnessione QBO dal background ENSO sia reale, pur evidenziando una considerevole variabilità fra modelli. Gli esperimenti QBOi dedicati alle teleconnessioni ENSO–QBO mostrano che ENSO è in grado di modulare la risposta extratropicale alla QBO e ricordano come diversi lavori abbiano trovato una relazione Holton–Tan più evidente durante La Niña e più debole durante El Niño. È stato inoltre osservato che ENSO può influire sulla stessa evoluzione tropicale della QBO: durante El Niño la sua ampiezza può risultare ridotta e la propagazione delle fasi più rapida rispetto alle condizioni La Niña. Ciò dimostra che il rapporto tra i due fenomeni non è necessariamente unidirezionale, ma comprende una rete di interazioni che interessa la troposfera tropicale, la stratosfera equatoriale e la circolazione extratropicale.
Un ulteriore elemento fondamentale riguarda la circolazione di Brewer–Dobson. La propagazione e dissipazione delle onde nella stratosfera determina infatti non soltanto l’accelerazione o decelerazione dei venti zonali, ma anche variazioni della circolazione meridionale residua. ENSO e QBO possono quindi influenzare indirettamente il trasporto di massa e di traccianti, la temperatura stratosferica e il mescolamento isentropico. Studi dedicati al mixing stratosferico hanno mostrato che la QBO può modificare la posizione delle linee di vento nullo e la geometria delle guide d’onda, mentre ENSO altera la propagazione e il breaking delle onde planetarie di grande scala. La risposta del sistema ENSO–QBO interessa pertanto non soltanto la dinamica del vortice polare, ma un insieme più ampio di processi che collega circolazione, trasporto e composizione della stratosfera.
La forte linearità identificata da Wang e colleghi nella stratosfera può avere importanti implicazioni anche per la prevedibilità stagionale. ENSO è generalmente prevedibile con diversi mesi di anticipo e la QBO presenta un’elevata memoria dinamica grazie alla lenta discesa dei suoi regimi di vento nella stratosfera tropicale. Entrambe costituiscono quindi potenziali fonti di prevedibilità per la stagione invernale. Se i loro effetti sulla stratosfera fossero fortemente non lineari in ogni configurazione, sarebbe estremamente difficile dedurre la risposta atmosferica conoscendo separatamente lo stato di ENSO e quello della QBO. La predominanza della componente lineare suggerisce invece che, almeno per alcune caratteristiche della circolazione stratosferica, conoscere i due segnali individuali può fornire informazioni significative sulla risposta combinata.
Questa conclusione deve tuttavia essere interpretata con prudenza quando si passa alle condizioni meteorologiche di superficie. La diminuzione della linearità dalla stratosfera verso la troposfera indica infatti che la prevedibilità potenziale fornita da ENSO e QBO non può essere trasferita automaticamente alle alte latitudini troposferiche. Una determinata configurazione ENSO–QBO non implica necessariamente un unico risultato per la NAO, per la posizione del getto nord-atlantico o per le anomalie termiche europee. L’atmosfera può seguire molteplici traiettorie dinamiche, e la variabilità interna può diventare comparabile o superiore al segnale forzato. Le teleconnessioni devono quindi essere interpretate statisticamente e non come relazioni deterministiche.
Da questo punto di vista, l’apparente contrasto tra studi che enfatizzano la linearità e lavori che evidenziano interazioni fortemente non lineari può essere in larga misura riconciliato considerando la regione atmosferica e la scala del fenomeno analizzato. Nella stratosfera e nella troposfera tropicale il comportamento integrato delle anomalie può essere quasi additivo; nella troposfera extratropicale, e soprattutto nell’Artico e nel settore nord-atlantico, l’interazione con il flusso medio, le onde sinottiche, i jet e la variabilità interna amplifica invece le componenti non lineari. Lo studio di Wang e colleghi introduce quindi una visione più sfumata: la questione non è stabilire se ENSO e QBO interagiscano linearmente oppure non linearmente in senso assoluto, ma determinare dove, a quale quota e attraverso quali meccanismi una delle due componenti diventi predominante.
Questa interpretazione è coerente con decenni di ricerca sull’influenza della QBO alle alte latitudini. Anstey e Shepherd hanno sottolineato come il collegamento tra QBO e vortice polare non possa essere considerato isolatamente rispetto alle altre sorgenti di variabilità interannuale, tra cui ENSO e il ciclo solare. La forza stessa della relazione Holton–Tan mostra infatti variazioni nel tempo, confermando che la risposta del vortice dipende dallo stato atmosferico nel quale la perturbazione QBO viene inserita.
L’aspetto forse più rilevante dello studio del 2026 consiste quindi nell’aver esteso l’analisi della linearità dall’ambiente stratosferico fino alla troposfera, mostrando l’esistenza di una sorta di gradiente dinamico verticale e latitudinale. La linearità domina nella stratosfera, rimane importante nella troposfera tropicale e alle basse-medie latitudini, ma perde progressivamente importanza procedendo verso la troposfera delle alte latitudini. In questa regione il sistema diventa maggiormente dipendente dallo stato e dalle interazioni tra le diverse componenti della circolazione. La configurazione El Niño–EQBO appare particolarmente significativa perché il contributo di ENSO può divenire dominante rispetto alla componente QBO nelle anomalie della circolazione artica.
Nel complesso, emerge un’immagine dell’atmosfera nella quale ENSO e QBO possono essere considerate sorgenti relativamente indipendenti di forzante su alcune scale, ma diventano progressivamente interdipendenti quando i loro segnali raggiungono la troposfera extratropicale. La stratosfera sembra quindi rappresentare il dominio nel quale la sovrapposizione dei segnali mantiene la maggiore regolarità, mentre la troposfera polare costituisce il luogo nel quale la complessità del sistema atmosferico trasforma tali segnali attraverso feedback e interazioni non lineari. Questa distinzione è fondamentale anche dal punto di vista della previsione stagionale: conoscere contemporaneamente lo stato di ENSO e della QBO può fornire informazioni preziose sullo stato medio della stratosfera invernale e sulla probabilità di determinate configurazioni del vortice polare, ma non consente di dedurre deterministicamente l’evoluzione del tempo alle medie e alte latitudini.
Il lavoro di Wang, Rao, Guo, Liu e Lu contribuisce pertanto a superare una visione semplicistica delle teleconnessioni climatiche. ENSO e QBO non devono essere considerate né come due forzanti totalmente indipendenti né come fenomeni che interagiscono inevitabilmente in maniera fortemente non lineare. La loro relazione cambia con l’altitudine e con la latitudine. Nella stratosfera, i due segnali possono essere in larga parte sommati; avvicinandosi alla superficie, soprattutto nell’Artico, il sistema diventa progressivamente più sensibile alle interazioni tra le diverse componenti della circolazione. È precisamente questa transizione dalla relativa linearità stratosferica alla crescente non linearità troposferica a rappresentare uno degli elementi più importanti per comprendere come la variabilità tropicale riesca a modulare il vortice polare, la circolazione extratropicale e, infine, parte della variabilità climatica invernale dell’emisfero settentrionale.
1. Introduzione
La variabilità climatica interannuale del sistema atmosfera–oceano è fortemente influenzata da processi che hanno origine nelle regioni tropicali ma che, attraverso complessi meccanismi di teleconnessione, sono in grado di modificare la circolazione atmosferica fino alle medie e alte latitudini. Tra le principali sorgenti di questa variabilità figurano El Niño–Southern Oscillation (ENSO) e la Quasi-Biennial Oscillation (QBO), due fenomeni profondamente differenti per origine fisica, struttura verticale e scala temporale, ma accomunati dalla capacità di alterare la propagazione delle onde atmosferiche e, di conseguenza, la circolazione globale. ENSO rappresenta la più importante modalità di variabilità interannuale del sistema oceano–atmosfera tropicale e nasce dall’interazione tra le anomalie della temperatura superficiale del mare del Pacifico equatoriale, la circolazione di Walker, gli alisei e la convezione tropicale. La QBO costituisce invece la principale oscillazione interannuale della stratosfera tropicale ed è caratterizzata dall’alternanza di regimi di vento zonale orientale e occidentale che si formano nella stratosfera equatoriale e discendono lentamente verso la tropopausa. Sebbene uno dei due fenomeni abbia origine principalmente nell’oceano e nella troposfera tropicale e l’altro nella dinamica della stratosfera equatoriale, le loro rispettive teleconnessioni possono convergere sulla circolazione extratropicale, sul vortice polare stratosferico e, successivamente, sulla troposfera delle medie e alte latitudini. Proprio questa possibile sovrapposizione costituisce il punto di partenza dello studio di Wang, Rao, Guo, Liu e Lu, che indaga quanto gli effetti combinati di ENSO e QBO possano essere descritti come una semplice somma lineare dei loro segnali indipendenti e quanto, invece, emergano interazioni non lineari lungo il percorso che collega la stratosfera tropicale alla troposfera extratropicale. Lo studio mostra che la componente lineare rimane dominante nella stratosfera e nella troposfera tropicale, mentre la non linearità aumenta avvicinandosi alla troposfera delle alte latitudini, diventando particolarmente rilevante nell’Artico.
ENSO esercita la propria influenza atmosferica a partire dalle anomalie della temperatura superficiale del Pacifico tropicale. Durante un evento El Niño, il riscaldamento anomalo delle acque superficiali del Pacifico centrale e orientale modifica la distribuzione longitudinale della convezione profonda, della precipitazione e del rilascio di calore latente. Durante La Niña si verifica, in termini generali, una configurazione opposta, anche se la risposta atmosferica non è perfettamente simmetrica. Le anomalie di riscaldamento tropicale associate a ENSO rappresentano sorgenti particolarmente efficienti di perturbazioni della circolazione atmosferica perché modificano la divergenza in alta troposfera e possono eccitare treni di onde di Rossby capaci di propagarsi dalle regioni tropicali verso le medie e alte latitudini. È attraverso questo processo che si sviluppano alcune delle più importanti teleconnessioni ENSO, compreso il pattern Pacific–North American. Una recente revisione delle teleconnessioni ENSO sottolinea proprio il ruolo fondamentale dei treni di onde di Rossby generati dalla convezione tropicale nel trasmettere l’influenza del Pacifico tropicale alle regioni extratropicali; la stessa letteratura mostra inoltre che intensità e configurazione spaziale delle teleconnessioni variano con la stagione, con la variabilità decadale dello stato climatico e con le caratteristiche specifiche degli eventi ENSO.
Il collegamento tra le anomalie oceaniche tropicali e la circolazione extratropicale non deve pertanto essere concepito come una risposta diretta e rigidamente deterministica. La posizione longitudinale delle anomalie di SST, la distribuzione della convezione profonda, la struttura dei getti subtropicali e lo stato della circolazione atmosferica di fondo possono alterare profondamente il percorso delle onde planetarie. Eventi El Niño apparentemente simili dal punto di vista di un singolo indice oceanico possono quindi produrre risposte atmosferiche differenti. Tale considerazione è particolarmente importante quando si analizzano gli effetti di ENSO sul settore nord-atlantico ed europeo, poiché il segnale generato nel Pacifico deve attraversare o interagire con una serie di strutture dinamiche intermedie. In questa prospettiva, l’atmosfera non costituisce un semplice mezzo attraverso il quale viene trasmesso passivamente il segnale tropicale, ma un sistema dinamico capace di filtrare, amplificare, deviare oppure attenuare le perturbazioni originarie.
Una parte essenziale della teleconnessione ENSO interessa inoltre la stratosfera. Le variazioni della convezione tropicale e della circolazione troposferica modificano infatti le sorgenti e le condizioni di propagazione delle onde planetarie, alcune delle quali possono penetrare nella stratosfera invernale. La loro interazione con il vento zonale medio altera il bilancio della circolazione stratosferica e può modificare l’intensità della circolazione di Brewer–Dobson, con conseguenze sulla temperatura e sui venti alle alte latitudini. In condizioni favorevoli, un maggiore trasporto verticale dell’attività ondulatoria dalla troposfera verso la stratosfera determina una più intensa deposizione di momento da parte delle onde, una decelerazione dei venti occidentali del vortice e una modificazione della circolazione meridionale residua. Il risultato può essere un vortice polare stratosferico più disturbato, più caldo e meno intenso. La relazione tra ENSO e vortice polare è tuttavia caratterizzata da una notevole variabilità interna: El Niño tende mediamente a favorire una stratosfera polare boreale più perturbata, ma non tutti gli eventi El Niño conducono a un marcato indebolimento del vortice né, tantomeno, a un riscaldamento stratosferico improvviso. La risposta dipende dallo stato dinamico preesistente dell’atmosfera e dall’interferenza con altre sorgenti di variabilità.
Fra queste, la QBO assume una posizione particolarmente importante. Essa consiste nell’alternanza di fasce di venti occidentali e orientali nella stratosfera equatoriale che discendono progressivamente nel tempo. La sua periodicità media è di circa 28 mesi, ma la durata dei singoli cicli presenta una certa variabilità. A differenza di ENSO, la cui espressione principale è identificabile nel sistema oceano–troposfera tropicale, la QBO costituisce essenzialmente un fenomeno dinamico della stratosfera, mantenuto dall’interazione tra il flusso zonale medio e differenti categorie di onde atmosferiche che trasportano quantità di moto verticale. Onde di Kelvin, onde miste Rossby–gravità, onde inerziali di gravità e un ampio spettro di onde di gravità contribuiscono alla formazione e alla discesa dei regimi di vento. Tuttavia, le conseguenze della QBO non rimangono confinate alle basse latitudini. Una vasta letteratura osservativa e modellistica ha dimostrato che le sue differenti fasi possono modificare la circolazione stratosferica extratropicale e, in particolare, il vortice polare boreale.
La manifestazione classica di questa relazione è il cosiddetto effetto Holton–Tan. In termini climatologici, gli inverni caratterizzati dalla fase orientale della QBO nella bassa stratosfera equatoriale tendono a essere associati a un vortice polare boreale più debole e caldo, mentre durante la fase occidentale il vortice tende a essere mediamente più intenso. È fondamentale sottolineare il carattere statistico e non deterministico di questa relazione. La QBO non stabilisce autonomamente lo stato del vortice polare, ma modifica l’ambiente dinamico attraverso il quale si propagano le onde planetarie extratropicali. La letteratura successiva agli studi originari di Holton e Tan ha mostrato che la teleconnessione coinvolge variazioni della struttura meridionale dei venti zonali, delle linee di vento nullo e delle condizioni di rifrazione delle onde. La revisione di Anstey e Shepherd ha evidenziato come la relazione QBO–vortice polare sia robusta su scala climatologica, ma anche come rimangano questioni aperte riguardo ai livelli verticali della QBO maggiormente responsabili della teleconnessione e, soprattutto, all’interazione della QBO con altre sorgenti di variabilità quali ENSO e il ciclo solare.
Le più recenti simulazioni coordinate nell’ambito della QBO Initiative hanno fornito ulteriori elementi a sostegno di questo quadro. Anstey e collaboratori, analizzando un insieme multimodello di modelli atmosferici capaci di rappresentare esplicitamente la QBO, hanno verificato che nella maggior parte dei modelli il vortice polare invernale boreale tende a rafforzarsi durante la QBO occidentale a circa 50 hPa e a indebolirsi durante la QBO orientale. I modelli riproducono quindi il segno generale della relazione osservata, sebbene l’ampiezza della risposta simulata risulti spesso inferiore a quella presente nelle osservazioni. Una delle possibili cause è la difficoltà di alcuni modelli nel rappresentare correttamente l’ampiezza della QBO nella bassa stratosfera tropicale. Tale risultato è particolarmente importante dal punto di vista della prevedibilità stagionale, perché la notevole persistenza e prevedibilità della QBO rende le sue teleconnessioni una potenziale sorgente di informazione per le previsioni invernali, a condizione che i modelli riescano a simularne adeguatamente i meccanismi.
Anche il rapporto tra QBO e riscaldamenti stratosferici improvvisi si inserisce in questo contesto. La letteratura sulle Sudden Stratospheric Warmings mostra che la probabilità statistica di questi eventi tende a essere maggiore durante gli inverni con QBO orientale rispetto a quelli con QBO occidentale, in accordo con la tendenza verso un vortice mediamente più debole durante EQBO. Tuttavia, non è stato identificato un unico meccanismo capace di spiegare completamente la teleconnessione. Sono stati proposti diversi processi complementari, comprendenti modificazioni delle condizioni di propagazione delle onde planetarie, cambiamenti della circolazione meridionale, alterazioni del jet subtropicale e interazioni tra onde e flusso medio. Ciò conferma che persino la risposta del vortice alla sola QBO costituisce il risultato di una dinamica complessa.
Oltre alle teleconnessioni extratropicali, la QBO altera direttamente la struttura termodinamica della stratosfera tropicale. Le variazioni dello shear verticale e della circolazione meridionale secondaria associata alla QBO determinano alternanze di riscaldamento e raffreddamento adiabatico e influenzano il trasporto di vapore acqueo attraverso la tropopausa tropicale. La temperatura della tropical tropopause layer è particolarmente importante perché rappresenta uno dei principali controlli sulla quantità di vapore acqueo che riesce a entrare nella stratosfera. Le anomalie termiche generate dalla QBO possono quindi produrre variazioni della disidratazione dell’aria ascendente e contribuire alle oscillazioni del contenuto di vapore acqueo stratosferico. Allo stesso tempo, le modificazioni della temperatura in prossimità della tropopausa possono influenzare la stabilità verticale e la convezione sottostante, aprendo un possibile percorso attraverso il quale una perturbazione originariamente stratosferica può modificare la troposfera tropicale.
Quest’ultimo meccanismo è particolarmente interessante poiché offre una possibile spiegazione della capacità della QBO di influenzare non soltanto la circolazione stratosferica polare ma anche le teleconnessioni troposferiche. Le anomalie della convezione tropicale possono infatti generare nuovi treni di onde di Rossby che si propagano verso le medie latitudini. La risposta extratropicale alla QBO può quindi svilupparsi attraverso almeno due grandi famiglie di percorsi: una via che coinvolge la stratosfera polare, nella quale la QBO modifica il vortice e l’anomalia si propaga successivamente verso il basso, e una via più direttamente troposferica o subtropicale, nella quale le anomalie associate alla QBO alterano convezione, getti e propagazione delle onde. Non si tratta necessariamente di meccanismi mutuamente esclusivi; la loro importanza relativa può cambiare durante l’inverno e dipendere dallo stato di ENSO.
È proprio quando ENSO e QBO vengono considerati simultaneamente che emerge il problema fondamentale della linearità. Se le due teleconnessioni fossero completamente indipendenti, la risposta atmosferica associata, per esempio, a El Niño combinato con QBO orientale dovrebbe essere equivalente alla somma della risposta di un El Niño isolato e della risposta di una EQBO isolata. In un simile scenario la sovrapposizione sarebbe essenzialmente lineare. Ma ENSO e QBO possono modificare gli stessi elementi della circolazione atmosferica: la posizione e l’intensità dei jet, le condizioni di propagazione delle onde di Rossby, l’attività ondulatoria che raggiunge la stratosfera, il vortice polare e il successivo accoppiamento stratosfera–troposfera. Diventa quindi fisicamente plausibile che la presenza di ENSO modifichi la risposta alla QBO e, viceversa, che la fase della QBO condizioni la teleconnessione ENSO.
Uno degli studi fondamentali in questo campo è quello di Calvo et al. del 2009, basato su esperimenti con il modello MAECHAM5. Gli autori analizzarono la risposta del vortice polare boreale a un forte El Niño sotto differenti condizioni della QBO e dimostrarono che le due forzanti non producevano necessariamente una semplice risposta additiva. La fase occidentale della QBO tendeva a ritardare l’insorgenza del segnale stratosferico associato all’ENSO caldo, mentre la fase orientale tendeva ad anticiparlo. Soprattutto, quando El Niño ed EQBO agivano contemporaneamente emergeva un comportamento non lineare della risposta del vortice polare. Il risultato venne interpretato come conseguenza dell’interazione tra le modificazioni del flusso di fondo prodotte dalla QBO e i cambiamenti nella propagazione e dissipazione delle onde extratropicali associate a El Niño.
Questa interpretazione ha alimentato per anni l’ipotesi secondo la quale la combinazione ENSO–QBO potesse produrre effetti sostanzialmente non lineari nella stratosfera. Tuttavia, studi più recenti hanno introdotto una distinzione importante tra l’esistenza di processi dinamicamente non lineari e il contributo quantitativo di tali processi all’anomalia totale della circolazione. Wang e collaboratori hanno mostrato che, dopo aver cercato di separare opportunamente il segnale puro ENSO da quello della QBO e di eliminare la contaminazione statistica reciproca, la risposta composita della stratosfera alle diverse configurazioni ENSO–QBO risulta sorprendentemente simile alla somma dei due segnali indipendenti. In altre parole, singoli processi di interazione possono essere non lineari, ma la struttura finale dell’anomalia stratosferica su larga scala può comunque essere dominata dalla componente lineare. Il recente studio di Wang et al. estende questa analisi verticalmente e dimostra che tale linearità diminuisce gradualmente procedendo dalla stratosfera verso la troposfera.
Il contrasto tra i risultati di studi differenti non rappresenta necessariamente una contraddizione. Esso può derivare dalle diverse definizioni utilizzate per identificare ENSO e QBO, dalla scelta dei livelli stratosferici impiegati per classificare la fase della QBO, dalla stagione analizzata, dalle dimensioni relativamente ridotte dei campioni osservativi e dalla regione geografica considerata. La disponibilità di rianalisi sempre più lunghe migliora progressivamente le possibilità di separare i differenti contributi, ma il numero effettivo di combinazioni indipendenti ENSO–QBO continua a essere molto più limitato rispetto a quello disponibile in grandi ensemble modellistici. Questo problema è particolarmente rilevante perché quattro configurazioni fondamentali — El Niño–EQBO, El Niño–WQBO, La Niña–EQBO e La Niña–WQBO — devono essere confrontate tra loro e con gli stati climatici di riferimento. La forte variabilità interna dell’atmosfera può quindi influire notevolmente sui compositi ottenuti con campioni relativamente piccoli.
La distinzione tra stratosfera e troposfera appare fondamentale per comprendere i risultati apparentemente diversi della letteratura. Lo studio più recente di Wang et al. mostra infatti che la sovrapposizione lineare rimane molto efficace nel descrivere la risposta nella stratosfera, mentre la componente non lineare aumenta nella circolazione troposferica regionale. Inoltre, questo incremento non è geograficamente uniforme: alle basse e medie latitudini la risposta combinata rimane relativamente vicina alla somma dei segnali ENSO e QBO, mentre alle alte latitudini la componente non lineare acquista rapidamente importanza. Nella troposfera artica essa può diventare predominante, con un ruolo particolarmente evidente nelle configurazioni El Niño–EQBO, nelle quali il segnale ENSO può risultare molto più intenso del contributo attribuibile alla QBO.
Questa crescente non linearità verso le alte latitudini è coerente con la natura stessa della dinamica troposferica extratropicale. La troposfera è caratterizzata dall’interazione continua tra onde sinottiche, onde planetarie, getti, storm track, blocchi atmosferici e gradienti termici meridionali. Le anomalie provenienti dalla stratosfera possono modificare leggermente la posizione o l’intensità del jet, ma tali modificazioni possono essere successivamente amplificate attraverso feedback tra gli eddies e il flusso medio. Per questa ragione, un segnale relativamente semplice nella stratosfera può trasformarsi in una configurazione molto più complessa quando raggiunge la troposfera. La risposta superficiale non costituisce quindi necessariamente una copia attenuata dell’anomalia stratosferica: può essere riorganizzata dall’interazione con la variabilità interna troposferica.
Il settore nord-atlantico fornisce un esempio particolarmente significativo. Ma et al. hanno mostrato che ENSO e QBO possono produrre effetti congiunti non lineari sulla circolazione invernale del Nord Atlantico perché il percorso attraverso il quale la QBO raggiunge la troposfera cambia a seconda della fase ENSO. Durante gli inverni El Niño, la teleconnessione della QBO tende a essere associata maggiormente a una via subtropicale, comprendente cambiamenti del jet subtropicale tra Pacifico settentrionale e Atlantico e successive modificazioni della propagazione delle onde di Rossby. Durante La Niña, invece, acquista maggiore importanza un percorso polare legato alle anomalie del vortice stratosferico e alla loro influenza discendente sulla circolazione nord-atlantica. Pertanto, lo stato di ENSO non si limita ad aggiungere una propria anomalia a quella della QBO, ma può modificare il percorso stesso attraverso il quale la teleconnessione QBO si realizza.
Questi risultati hanno conseguenze particolarmente importanti per la comprensione della prevedibilità stagionale. ENSO e QBO sono entrambe considerate sorgenti di prevedibilità oltre la scala meteorologica tradizionale. ENSO possiede una notevole memoria grazie all’accoppiamento con l’oceano tropicale, mentre la lenta propagazione verticale della QBO consente di prevederne l’evoluzione con largo anticipo rispetto alla maggior parte dei fenomeni atmosferici. In linea teorica, conoscere simultaneamente la fase ENSO e quella della QBO dovrebbe quindi fornire informazioni aggiuntive sulla circolazione invernale. Tuttavia, l’utilità di queste informazioni dipende criticamente dalla capacità dei modelli di rappresentare le rispettive teleconnessioni e, soprattutto, le loro interazioni. Il fatto che la risposta stratosferica combinata sia in larga misura lineare costituisce da questo punto di vista un risultato favorevole: indica che una parte consistente del segnale può essere ricostruita conoscendo separatamente le risposte a ENSO e QBO. La progressiva crescita della non linearità nella troposfera artica suggerisce però che questa relazione diventa molto meno semplice quando si cerca di tradurre il segnale stratosferico in anomalie regionali di pressione, temperatura o circolazione vicino alla superficie.
Il quadro che emerge è quindi quello di un sistema atmosferico nel quale linearità e non linearità non sono proprietà assolute, ma dipendono dalla regione e dal livello atmosferico considerati. La forte linearità della stratosfera non implica che non esistano interazioni fisiche tra ENSO e QBO; significa piuttosto che, mediamente, la parte predominante dell’anomalia stratosferica complessiva può essere spiegata sommando i contributi indipendenti delle due forzanti. Procedendo verso la troposfera, l’interazione con la dinamica interna diventa progressivamente più importante e la semplice sovrapposizione perde efficacia. Il passaggio dalla predominanza lineare nella stratosfera e nella troposfera tropicale alla crescente non linearità della troposfera artica rappresenta pertanto un concetto centrale dello studio di Wang e collaboratori.
La questione assume inoltre un significato più ampio nello studio dell’accoppiamento stratosfera–troposfera. Per molti anni la ricerca atmosferica ha analizzato separatamente le teleconnessioni associate a ENSO, alla QBO, al vortice polare e ai riscaldamenti stratosferici improvvisi. Le evidenze accumulate mostrano invece che queste componenti appartengono a un sistema dinamico interconnesso, nel quale lo stato di una regione dell’atmosfera modifica la sensibilità della circolazione alle perturbazioni provenienti da un’altra regione. ENSO può alterare il flusso delle onde dalla troposfera verso la stratosfera; la QBO può modificare l’ambiente attraverso il quale queste onde si propagano; il vortice polare può integrare tali perturbazioni e, quando le anomalie diventano sufficientemente persistenti, influenzare nuovamente la troposfera. In questo senso, l’atmosfera invernale dell’emisfero settentrionale deve essere interpretata come un sistema accoppiato nel quale tropicale ed extratropicale, troposfera e stratosfera, non possono essere completamente separati.
La letteratura disponibile invita comunque alla cautela nell’utilizzare queste relazioni per interpretare un singolo inverno. Il rapporto Holton–Tan è climatologico, così come le teleconnessioni ENSO e la risposta media del vortice polare. Un inverno caratterizzato simultaneamente da El Niño ed EQBO non deve necessariamente presentare un vortice debole, una NAO negativa o specifiche anomalie meteorologiche sull’Europa. La variabilità interna dell’atmosfera, la struttura precisa dell’evento ENSO, l’evoluzione verticale della QBO, lo stato del vortice all’inizio della stagione, l’attività delle onde planetarie e altri fattori di forzante possono modificare radicalmente l’evoluzione reale. Questa distinzione tra aumento della probabilità di una configurazione e determinazione dell’esito meteorologico è indispensabile quando si trasferiscono le conoscenze climatologiche alla previsione stagionale.
In definitiva, l’introduzione dello studio di Wang et al. colloca il problema ENSO–QBO all’interno di una delle questioni più importanti della moderna dinamica atmosferica: comprendere in che misura le differenti sorgenti di prevedibilità possano essere considerate indipendenti e in che misura, invece, la loro interazione produca risposte nuove che non possono essere ricostruite attraverso una semplice somma. I risultati precedenti di Calvo et al. e Ma et al. dimostrano che esistono processi e regioni nei quali la non linearità può essere significativa, rispettivamente nella risposta del vortice polare e nella circolazione nord-atlantica. Al tempo stesso, le analisi più recenti indicano che, quando i segnali ENSO e QBO vengono opportunamente isolati, la risposta stratosferica complessiva conserva una sorprendente struttura lineare. La vera innovazione consiste quindi nel riconoscere che la natura dell’interazione cambia verticalmente: la sovrapposizione lineare domina nella stratosfera, rimane importante nella troposfera tropicale e alle basse-medie latitudini, ma lascia progressivamente spazio alle interazioni non lineari procedendo verso la troposfera delle alte latitudini. Questo gradiente verticale e latitudinale della linearità fornisce una chiave interpretativa particolarmente utile per comprendere perché le teleconnessioni tropicali possano apparire relativamente ordinate nella stratosfera ma produrre risposte regionali molto più complesse vicino alla superficie, e costituisce la base concettuale sulla quale si sviluppano le successive analisi dello studio.
2. Dati e metodi
La solidità di uno studio dedicato agli effetti congiunti di El Niño–Southern Oscillation e della Quasi-Biennial Oscillation dipende in misura decisiva dalla capacità di distinguere segnali climatici relativamente deboli dalla forte variabilità interna dell’atmosfera. Nel lavoro di Wang, Rao, Guo, Liu e Lu questa esigenza viene affrontata attraverso un approccio metodologico che combina una lunga rianalisi atmosferica, tecniche statistiche volte a separare i contributi di ENSO e QBO, diagnostiche dinamiche della propagazione delle onde planetarie e simulazioni climatiche CMIP6 selezionate per la loro capacità di riprodurre realisticamente entrambe le teleconnessioni. Tale strategia è particolarmente appropriata per un problema come quello ENSO–QBO, poiché la semplice costruzione di compositi osservativi non è sufficiente a stabilire se una determinata anomalia atmosferica derivi dalla QBO, da ENSO oppure dall’interazione fra i due fenomeni. Lo studio utilizza quindi ERA5 come riferimento osservativo dinamicamente coerente e successivamente verifica la robustezza dei risultati mediante tre modelli climatici ad alte prestazioni: ACCESS-CM2, HadGEM3-GC31-LL e UKESM1-0-LL. Questa combinazione tra rianalisi e simulazioni modellistiche permette di affrontare contemporaneamente due problemi fondamentali: la rappresentatività fisica del segnale atmosferico reale e la limitata numerosità statistica delle configurazioni ENSO–QBO disponibili durante l’era osservativa.
Il dataset principale è costituito dalla quinta generazione delle rianalisi atmosferiche dell’European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ERA5. Gli autori utilizzano dati mensili relativi al periodo 1950–2023, interpolati su una griglia regolare di 0,25° in latitudine e longitudine e distribuiti su 37 livelli di pressione compresi tra 1000 e 1 hPa. La scelta è particolarmente adatta a uno studio dell’accoppiamento troposfera–stratosfera, poiché permette di seguire la struttura tridimensionale delle anomalie dalla bassa troposfera fino alla stratosfera superiore. ERA5 rappresenta un notevole avanzamento rispetto alla precedente ERA-Interim: la rianalisi è prodotta mediante il sistema di previsione integrato dell’ECMWF e incorpora osservazioni atmosferiche all’interno di un modello globale mediante un sistema avanzato di assimilazione dei dati. Hersbach et al. hanno mostrato come ERA5 benefici di una risoluzione orizzontale nativa di circa 31 km, di una descrizione migliorata della dinamica atmosferica e di un archivio che si estende a partire dal 1950, rendendolo particolarmente utile per lo studio della variabilità climatica multidecadale.
È importante comprendere il significato fisico di una rianalisi in questo contesto. ERA5 non costituisce semplicemente una raccolta interpolata di osservazioni meteorologiche: combina continuamente misure provenienti da radiosonde, satelliti, aeromobili, stazioni superficiali e altre piattaforme con un modello numerico dell’atmosfera. Ne deriva un insieme di campi meteorologici tridimensionali che rispettano in maniera molto più coerente le relazioni dinamiche tra vento, temperatura, geopotenziale e moto verticale rispetto a quanto sarebbe possibile attraverso l’interpolazione diretta delle sole osservazioni. Tale caratteristica è essenziale nello studio ENSO–QBO perché i meccanismi analizzati coinvolgono simultaneamente anomalie del vento zonale, circolazioni meridionali, temperatura, propagazione ondulatoria e struttura geopotenziale della troposfera e della stratosfera. Allo stesso tempo, occorre ricordare che la qualità delle rianalisi dipende anche dalla densità e dal tipo di osservazioni assimilate: il periodo precedente all’avvento del sistema satellitare moderno presenta inevitabilmente una copertura osservativa inferiore rispetto agli ultimi decenni. ERA5 offre comunque una ricostruzione dinamicamente coerente dell’intero periodo e consente di estendere considerevolmente il campione rispetto a dataset limitati all’era satellitare.
Le variabili multilivello considerate da Wang e collaboratori comprendono vento zonale, vento meridionale, velocità verticale, geopotenziale o altezza geopotenziale e temperatura dell’aria. A queste viene aggiunta la temperatura dell’aria a 2 metri, utilizzata per rappresentare la risposta termica in prossimità della superficie. La scelta di queste grandezze riflette direttamente la struttura del problema dinamico studiato. Il vento zonale consente di caratterizzare sia la QBO nella stratosfera equatoriale sia l’intensità dei jet subtropicali e del vortice polare. Il vento meridionale e il geopotenziale forniscono invece informazioni fondamentali sulla struttura delle onde planetarie e delle teleconnessioni extratropicali. La temperatura permette di valutare la risposta termodinamica associata alle anomalie della circolazione, particolarmente importante nella stratosfera polare, dove un indebolimento del vortice è frequentemente accompagnato da anomalie termiche positive. La velocità verticale contribuisce infine a descrivere le anomalie della circolazione verticale e dei moti ascendenti o discendenti, mentre la temperatura a 2 metri permette di verificare fino a che punto gli effetti congiunti ENSO–QBO riescano a propagarsi fino al clima vicino alla superficie.
L’utilizzo di dati mensili rappresenta una scelta coerente con l’obiettivo dello studio, che non consiste nel ricostruire l’evoluzione giornaliera di singoli eventi atmosferici ma nel quantificare la risposta climatica media associata alle differenti configurazioni ENSO–QBO. Le medie mensili riducono infatti una parte della variabilità meteorologica sinottica e rendono più evidente il segnale stagionale e interannuale. Questo comporta tuttavia un compromesso metodologico: processi rapidi come la crescita di singole onde planetarie, il wave breaking o la fase iniziale di un Sudden Stratospheric Warming vengono attenuati dalla media temporale. Il vantaggio è che la struttura persistente delle teleconnessioni emerge con maggiore chiarezza. Per uno studio focalizzato sulla distinzione tra componenti lineari e non lineari della risposta atmosferica media, questa scelta è quindi ragionevole, purché i risultati non vengano interpretati come una descrizione dettagliata dell’evoluzione temporale di ogni singolo episodio.
Uno degli aspetti metodologici più importanti riguarda la separazione dei segnali ENSO e QBO mediante regressione lineare. La difficoltà nasce dal fatto che gli inverni classificati secondo la fase della QBO non sono necessariamente distribuiti in maniera uniforme rispetto a ENSO e, analogamente, un composito di eventi El Niño o La Niña può comprendere proporzioni differenti di EQBO e WQBO. Se questa interferenza statistica non venisse rimossa, una parte dell’anomalia attribuita alla QBO potrebbe in realtà essere associata a ENSO, oppure viceversa. Nei precedenti lavori di Wang et al. la metodologia è stata concepita proprio per eliminare tale contaminazione: gli eventi vengono inizialmente identificati sulla base degli indici relativi a ENSO e QBO e successivamente il contributo medio della variabilità concorrente viene sottratto attraverso una regressione. Le simulazioni modellistiche hanno confermato che, applicando questo procedimento, è possibile isolare segnali ENSO con il contributo QBO fortemente ridotto e segnali QBO depurati dalla componente ENSO.
Questo passaggio costituisce il fondamento dell’intero esperimento sulla linearità. Una volta ricavati un segnale ENSO relativamente puro e un segnale QBO relativamente puro, è possibile sommarli e confrontare tale somma con l’anomalia effettivamente osservata durante gli eventi congiunti. Se le due mappe risultano molto simili, la risposta può essere interpretata come prevalentemente lineare; se invece la configurazione congiunta differisce sostanzialmente dalla somma dei due segnali indipendenti, emerge una componente non lineare. Nei lavori precedenti di Wang e collaboratori, questo confronto è stato effettuato per quattro configurazioni fondamentali: El Niño–EQBO, El Niño–WQBO, La Niña–EQBO e La Niña–WQBO. I risultati hanno mostrato che nella stratosfera la risposta congiunta è generalmente molto vicina alla somma dei singoli segnali ENSO e QBO, fornendo la base metodologica per l’estensione dell’analisi verso la troposfera realizzata nello studio più recente.
La regressione lineare deve però essere interpretata correttamente. Essa è uno strumento estremamente utile per separare statisticamente due sorgenti di variabilità, ma non implica che il sistema atmosferico sia fisicamente lineare. La regressione stima infatti la componente della risposta che varia sistematicamente con l’indice utilizzato; eventuali interazioni dipendenti dallo stato di fondo, soglie dinamiche, feedback eddy–mean flow o risposte asimmetriche possono rimanere nel residuo. Da questo punto di vista, il metodo utilizzato dagli autori è particolarmente interessante proprio perché non assume a priori che la risposta ENSO–QBO debba essere lineare: costruisce invece una previsione lineare ottenuta sommando i due segnali depurati e la confronta successivamente con il composito reale degli eventi congiunti. La differenza tra le due rappresentazioni diventa quindi una misura della componente che la semplice sovrapposizione non riesce a spiegare.
Questa impostazione permette inoltre di distinguere due concetti spesso confusi. Il primo è la non linearità dei processi dinamici atmosferici, che è intrinseca alle equazioni che regolano la circolazione; il secondo è la non additività statistica delle anomalie composite. Anche un sistema caratterizzato da processi localmente non lineari può produrre una risposta media quasi additiva se gli effetti non lineari si compensano o rimangono piccoli rispetto ai termini dominanti. Viceversa, una differenza relativamente modesta nella propagazione di un treno d’onde può produrre, attraverso feedback troposferici, una risposta regionale molto diversa dalla semplice somma dei segnali individuali. La metodologia di Wang et al. consente quindi di quantificare la seconda forma di non linearità senza pretendere di eliminare la prima.
Un ulteriore elemento metodologico centrale è l’impiego del flusso di attività ondulatoria sviluppato da Takaya e Nakamura. Questo strumento diagnostico è utilizzato nello studio per analizzare la propagazione orizzontale delle onde di Rossby nell’alta troposfera. Il metodo proposto da Takaya e Nakamura nel 2001 rappresentò un progresso importante perché definì un flusso di attività ondulatoria approssimativamente indipendente dalla fase dell’onda e applicabile sia a perturbazioni quasigeostrofiche stazionarie sia a perturbazioni migranti sovrapposte a un flusso di fondo non uniformemente zonale. Nel limite WKB il vettore del flusso risulta orientato parallelamente alla velocità di gruppo tridimensionale delle onde di Rossby, rendendo possibile utilizzare la sua direzione come indicatore della propagazione dell’energia ondulatoria.
Questa proprietà rende il flusso Takaya–Nakamura particolarmente adatto allo studio delle teleconnessioni ENSO–QBO. Una mappa delle sole anomalie di altezza geopotenziale mostra infatti dove si trovano creste e saccature associate alla risposta atmosferica, ma non consente necessariamente di identificare la direzione attraverso la quale la perturbazione si propaga. Sovrapponendo i vettori del flusso di attività ondulatoria è invece possibile ricostruire il percorso seguito dai treni di onde di Rossby, individuando le regioni dalle quali l’attività ondulatoria tende a essere emessa, le aree verso le quali si propaga e quelle nelle quali viene assorbita o dissipa la propria attività. Takaya e Nakamura sottolinearono espressamente come il loro flusso fosse adatto a una diagnostica istantanea o climatologica dei pacchetti di onde e come convergenza e divergenza del flusso potessero aiutare a identificare rispettivamente regioni di assorbimento e sorgente dell’attività ondulatoria.
Nel contesto ENSO, questa diagnostica è fondamentale perché una parte sostanziale della teleconnessione extratropicale viene trasmessa proprio attraverso onde di Rossby originate dalle anomalie di riscaldamento tropicale. Se, per esempio, una configurazione El Niño–EQBO producesse anomalie troposferiche che non possono essere spiegate dalla somma dei due segnali individuali, il flusso di attività ondulatoria può permettere di stabilire se la differenza sia associata a un cambiamento della traiettoria o dell’intensità del treno d’onde. La non linearità troposferica può infatti derivare non soltanto da un’intensificazione o indebolimento del segnale, ma anche da uno spostamento geografico della propagazione. Una piccola modificazione del jet subtropicale o del campo di vento di fondo può deviare le onde di Rossby verso una regione differente, generando anomalie regionali molto diverse pur partendo da una sorgente tropicale relativamente simile.
L’impiego del flusso Takaya–Nakamura è inoltre metodologicamente coerente con il fatto che la circolazione atmosferica reale non è zonalmente uniforme. Diagnostiche precedenti formulate soprattutto per un flusso medio zonale possono risultare meno intuitive quando vengono applicate a teleconnessioni che attraversano Pacifico, Nord America e Atlantico, cioè regioni caratterizzate da forti variazioni longitudinali dei jet e del flusso di fondo. Il formalismo di Takaya e Nakamura fu specificamente sviluppato per perturbazioni su un flusso di fondo zonalmente variabile e permette quindi di rappresentare meglio la struttura tridimensionale delle teleconnessioni planetarie. Gli autori originali mostrarono inoltre che il vettore è quasi indipendente dalla fase dell’onda e quindi meno soggetto alle oscillazioni spaziali che renderebbero difficile interpretare una singola configurazione geopotenziale.
Nonostante l’estensione di ERA5 al periodo 1950–2023, il problema della numerosità campionaria rimane rilevante. Settantacinque anni di rianalisi possono sembrare un intervallo estremamente lungo, ma il numero di inverni appartenenti a ciascuna delle quattro configurazioni ENSO–QBO è inevitabilmente molto più piccolo. ENSO non alterna regolarmente El Niño e La Niña ogni anno, e la QBO possiede una periodicità media di circa 28 mesi che non è sincronizzata con ENSO. Dopo aver applicato soglie sufficientemente rigorose per identificare soltanto gli eventi ben definiti, il campione può quindi ridursi considerevolmente. La presenza di pochi casi rende i compositi più sensibili a eventi individuali particolarmente intensi e aumenta l’incertezza associata alla variabilità interna dell’atmosfera. Lo stesso studio riconosce esplicitamente che la durata di ERA5 e la ridotta numerosità delle combinazioni disponibili costituiscono una limitazione e utilizza proprio per questo motivo le simulazioni climatiche come test indipendente di robustezza.
La scelta di utilizzare modelli CMIP6 assume quindi un significato che va oltre una semplice conferma qualitativa delle rianalisi. CMIP6 è stato progettato per mettere a disposizione esperimenti climatici coordinati e comparabili tra diversi modelli, consentendo di valutare la risposta del sistema climatico alle forzanti, i bias sistematici dei modelli e il ruolo della variabilità interna. Le simulazioni storiche CMIP6 permettono di analizzare sequenze climatiche più lunghe e, soprattutto, di confrontare gli stessi meccanismi all’interno di sistemi numerici indipendenti. Questo è particolarmente utile nel caso di teleconnessioni relativamente deboli come quelle della QBO, nelle quali la variabilità interna può facilmente mascherare il segnale in un singolo periodo osservativo.
Wang et al. non utilizzano però indiscriminatamente l’intero insieme CMIP6. Nei loro lavori precedenti hanno valutato 18 modelli CMIP5 e CMIP6 capaci di produrre una QBO e hanno successivamente selezionato quelli che meglio riproducevano le teleconnessioni osservate di ENSO e QBO. Lo studio del 2026 utilizza tre di questi modelli ad elevate prestazioni: ACCESS-CM2, HadGEM3-GC31-LL e UKESM1-0-LL. La selezione è metodologicamente rilevante perché non tutti i modelli climatici rappresentano adeguatamente la QBO. Simulare realisticamente questa oscillazione richiede una struttura verticale sufficientemente dettagliata della stratosfera e una rappresentazione efficace del trasporto di quantità di moto da parte delle onde. Un modello che produce una QBO troppo debole, troppo lenta o confinata a livelli errati difficilmente può riprodurre correttamente la successiva teleconnessione verso il vortice polare e la troposfera. I precedenti risultati di Wang et al. hanno mostrato che i modelli ad alta capacità riproducono molto meglio la struttura delle risposte ENSO e QBO e confermano la forte linearità osservata nella stratosfera.
ACCESS-CM2 è un modello climatico completamente accoppiato sviluppato nell’ambito australiano CSIRO. La sua componente atmosferica utilizza il Met Office Unified Model nella configurazione GA7.1 e dispone di 85 livelli verticali, una caratteristica particolarmente importante per la rappresentazione della stratosfera e della regione di transizione tra alta troposfera e bassa stratosfera. La componente oceanica utilizza MOM5, mentre il ghiaccio marino è rappresentato da CICE. La presenza di una griglia atmosferica verticalmente dettagliata contribuisce alla capacità del modello di rappresentare processi quali la QBO e l’interazione tra onde tropicali, circolazione stratosferica e teleconnessioni extratropicali.
Anche HadGEM3-GC31-LL utilizza una configurazione atmosferica con 85 livelli verticali. Il modello combina il Met Office Unified Model e il modello terrestre JULES con NEMO per l’oceano e CICE per il ghiaccio marino. Nella versione LL utilizzata in CMIP6, la componente atmosferica impiega la configurazione N96, mentre quella oceanica utilizza una griglia di circa un grado. La presenza di 85 livelli atmosferici è particolarmente utile nello studio della QBO poiché consente una migliore descrizione dei gradienti verticali del vento equatoriale e della struttura della bassa stratosfera rispetto ai modelli con una discretizzazione verticale più grossolana.
UKESM1-0-LL presenta a sua volta 85 livelli atmosferici e deriva dalla stessa famiglia dinamica di HadGEM3, ma incorpora una rappresentazione più completa dei processi del sistema Terra, compresa una chimica atmosferica interattiva. La componente atmosferica raggiunge circa 85 km di quota e include un sistema chimico troposfera–stratosfera, rendendolo particolarmente sofisticato nella rappresentazione dei processi che attraversano la tropopausa. Sebbene non tutti questi processi chimici siano direttamente necessari per l’analisi ENSO–QBO, una configurazione verticale così estesa e dettagliata permette di descrivere con maggiore coerenza la struttura della circolazione stratosferica e dell’UTLS, cioè la regione dell’alta troposfera e bassa stratosfera nella quale molte delle teleconnessioni QBO assumono particolare importanza.
La convergenza di risultati fra ERA5 e questi tre modelli riveste un significato scientifico notevole. Una struttura osservata esclusivamente nella rianalisi potrebbe essere influenzata da una particolare sequenza di eventi climatici avvenuta durante il periodo 1950–2023. Se la stessa transizione dalla forte linearità stratosferica alla crescente non linearità troposferica compare in simulazioni indipendenti, aumenta la probabilità che essa rappresenti una caratteristica fisica reale del sistema atmosferico anziché una coincidenza campionaria. Il contributo dei modelli non consiste quindi semplicemente nell’aumentare artificialmente il numero degli eventi, ma nel sottoporre l’ipotesi dinamica a una verifica in sistemi climatici numerici nei quali ENSO, QBO, vortice polare, jet e onde planetarie evolvono autonomamente.
L’uso di modelli precedentemente selezionati come “high-skill” comporta tuttavia anche una considerazione metodologica. Da un lato è vantaggioso utilizzare modelli che rappresentano correttamente i processi oggetto dello studio, perché l’inclusione di modelli privi di una QBO realistica potrebbe diluire o distorcere il segnale. Dall’altro lato, le conclusioni devono essere interpretate come rappresentative soprattutto dei modelli che possiedono una buona capacità di riprodurre le teleconnessioni ENSO e QBO, non necessariamente dell’intera popolazione CMIP6. Questa non costituisce una debolezza dello studio, ma una scelta orientata ai processi: l’obiettivo non è calcolare la risposta media di tutti i modelli disponibili, bensì verificare il meccanismo in quelli che dispongono dei requisiti dinamici necessari per rappresentarlo.
Un altro punto di forza dell’approccio consiste nella complementarità tra diagnostica statistica e diagnostica dinamica. La regressione stabilisce quanto del segnale ENSO e QBO possa essere statisticamente separato; i compositi mostrano la struttura spaziale delle anomalie; il confronto tra segnale congiunto e somma lineare quantifica la linearità; il flusso Takaya–Nakamura permette infine di investigare il meccanismo attraverso il quale tali anomalie vengono trasmesse orizzontalmente nella troposfera. In questo modo, lo studio non si limita a constatare che due mappe differiscono, ma può collegare tali differenze a variazioni nella propagazione delle onde di Rossby. È un elemento metodologico fondamentale, perché la non linearità troposferica potrebbe manifestarsi non come semplice amplificazione locale, bensì come riorganizzazione dell’intera teleconnessione.
Il disegno sperimentale permette inoltre di affrontare in modo particolarmente efficace il problema della transizione verticale tra stratosfera e troposfera. I precedenti lavori di Wang et al. avevano già stabilito, utilizzando ERA5 e modelli CMIP5/6, che la risposta della stratosfera settentrionale alle configurazioni ENSO–QBO è largamente ricostruibile mediante una somma lineare dei due segnali. Nella configurazione El Niño–EQBO, ad esempio, entrambi i contributi tendono a favorire un vortice più debole e caldo, mentre durante La Niña–WQBO i due segnali tendono a rafforzarsi nella direzione opposta. Nelle combinazioni in cui ENSO e QBO esercitano effetti contrari, come El Niño–WQBO o La Niña–EQBO, la fase della QBO può contribuire in maniera determinante al segno della risposta stratosferica. Il nuovo studio utilizza la stessa impostazione metodologica per chiedere se questa additività sopravviva procedendo verso il basso. La risposta è che essa rimane forte nella stratosfera e in parte della troposfera, ma diminuisce alle alte latitudini, dove la componente non lineare acquista un peso molto maggiore.
Questa struttura metodologica è particolarmente importante anche in termini di causalità fisica. Una semplice correlazione tra un indice ENSO e una variabile atmosferica non permetterebbe infatti di stabilire se la QBO abbia modificato la relazione, mentre una correlazione QBO–circolazione potrebbe essere influenzata dallo stato concomitante del Pacifico tropicale. Separando statisticamente i segnali, classificando gli eventi congiunti, costruendo una previsione lineare e confrontandola con la risposta reale, gli autori introducono una sorta di esperimento diagnostico all’interno del dataset osservativo. Le simulazioni modellistiche aggiungono poi un secondo livello di verifica. Non si tratta di un esperimento causale perfetto nel senso di una simulazione idealizzata in cui ENSO e QBO vengono prescritti indipendentemente, ma il metodo riduce considerevolmente alcune delle principali ambiguità presenti nelle analisi composite tradizionali.
Nel complesso, la Sezione 2 costituisce quindi molto più di una semplice descrizione dei dataset. L’utilizzo di ERA5 dal 1950 al 2023 fornisce un quadro osservativo tridimensionale e dinamicamente coerente della troposfera e della stratosfera; la regressione lineare permette di ridurre la contaminazione reciproca tra ENSO e QBO; la classificazione degli eventi individuali e combinati consente di costruire il test fondamentale della sovrapposizione; il flusso di attività ondulatoria di Takaya e Nakamura consente di interpretare fisicamente le differenze della risposta attraverso la propagazione dei treni di onde di Rossby; infine ACCESS-CM2, HadGEM3-GC31-LL e UKESM1-0-LL permettono di verificare che i risultati non siano una peculiarità della limitata sequenza osservativa disponibile. Il valore dell’impostazione risiede proprio nell’integrazione tra questi elementi. ERA5 fornisce il collegamento con l’atmosfera reale, i modelli aumentano la robustezza statistica e testano la riproducibilità dei risultati, mentre le diagnostiche statistiche e dinamiche permettono di distinguere tra semplice sovrapposizione e vera interazione dei segnali. È su questa base metodologica che diventa possibile dimostrare, nelle sezioni successive, che la risposta congiunta ENSO–QBO mantiene una marcata natura lineare nella stratosfera ma assume progressivamente caratteristiche più non lineari procedendo verso la troposfera, soprattutto nelle regioni artiche, dove ENSO, QBO, propagazione ondulatoria e variabilità interna della circolazione iniziano a interagire in maniera molto più complessa.
3. Risposta troposferica agli eventi ENSO e QBO individuali e congiunti – 3.1 Attività ondulatoria troposferica e prossima alla superficie
L’analisi della risposta troposferica agli eventi ENSO e QBO, considerati sia individualmente sia nelle loro differenti combinazioni, costituisce un passaggio fondamentale per comprendere in quale misura segnali climatici originati nel Pacifico tropicale e nella stratosfera equatoriale possano essere trasmessi fino alla superficie e alle alte latitudini dell’emisfero settentrionale. Se nella stratosfera l’influenza congiunta di El Niño–Southern Oscillation e della Quasi-Biennial Oscillation appare, secondo Wang et al., prevalentemente riconducibile a una sovrapposizione lineare dei due segnali, scendendo verso la troposfera la situazione diventa progressivamente più complessa. La linearità rimane infatti importante alle basse e medie latitudini, ma diminuisce nelle regioni settentrionali, dove le interazioni tra circolazione troposferica, attività ondulatoria, vortice polare, variabilità interna e condizioni della superficie possono produrre differenze sostanziali rispetto alla semplice somma dei segnali ENSO e QBO. Questa transizione è uno dei risultati centrali dello studio: la non linearità non appare distribuita uniformemente nell’atmosfera, ma tende a concentrarsi soprattutto nella troposfera delle alte latitudini, con particolare evidenza nelle configurazioni El Niño–EQBO.
La temperatura dell’aria a 2 metri rappresenta una variabile particolarmente utile per valutare la manifestazione superficiale di queste teleconnessioni, poiché permette di collegare le modificazioni della circolazione atmosferica su larga scala con una grandezza direttamente rappresentativa delle condizioni climatiche prossime al suolo. I compositi invernali riferiti al trimestre dicembre–febbraio mostrano innanzitutto la notevole differenza di ampiezza tra il segnale associato a ENSO e quello attribuibile alla sola QBO. Durante gli eventi El Niño, le anomalie positive della temperatura superficiale dominano ampie porzioni della fascia tropicale e raggiungono naturalmente la loro massima espressione nel Pacifico equatoriale, dove le anomalie calde della temperatura superficiale marina costituiscono la manifestazione oceanica fondamentale dell’evento. Il segnale, tuttavia, non rimane confinato alla regione tropicale, ma si estende attraverso complesse teleconnessioni verso il Nord Pacifico, il Nord America, l’Eurasia e l’Artico.
Questa propagazione remota dell’influenza ENSO rappresenta una delle caratteristiche più studiate della dinamica climatica globale. Le anomalie della temperatura superficiale del Pacifico tropicale modificano la localizzazione e l’intensità della convezione profonda, alterando il riscaldamento diabatico della troposfera. Le anomalie di divergenza nell’alta troposfera associate alla convezione costituiscono a loro volta una sorgente efficace di onde di Rossby, le quali possono propagarsi verso le medie latitudini e organizzarsi in grandi strutture di teleconnessione. Nell’emisfero settentrionale una delle più importanti è il Pacific–North American pattern, attraverso il quale il segnale tropicale viene trasferito dal Pacifico centrale verso il Nord Pacifico e il continente nordamericano. La posizione delle anomalie convettive tropicali è cruciale: Rao e Ren hanno mostrato che la risposta PNA e la successiva propagazione delle onde planetarie possono variare notevolmente con l’intensità e il tipo di evento ENSO, producendo una risposta non perfettamente simmetrica fra El Niño e La Niña.
Durante El Niño, la configurazione descritta da Wang et al. presenta anomalie termiche positive diffuse sulle medie latitudini eurasiatiche, mentre parte dell’Eurasia settentrionale e dell’Artico mostra anomalie più fredde. Sul continente nordamericano emerge un esteso settore caratterizzato da temperature superiori alla media, dall’Alaska verso le aree centrali del continente, mentre anomalie più fredde interessano il settore meridionale del Nord America e parte del Pacifico settentrionale. La struttura non deve essere interpretata come una risposta termica diretta al riscaldamento dell’oceano tropicale, bensì come il risultato della riorganizzazione della circolazione atmosferica. Le anomalie della pressione e dell’altezza geopotenziale associate alla teleconnessione PNA modificano infatti l’avvezione delle masse d’aria, la posizione delle correnti a getto e la frequenza relativa delle configurazioni cicloniche e anticicloniche, determinando regioni di riscaldamento e raffreddamento anche a migliaia di chilometri dalla sorgente tropicale.
La Niña produce una configurazione che, su larga scala, tende a essere di segno opposto rispetto a quella di El Niño, ma la simmetria è soltanto approssimativa. Questo punto riveste notevole importanza perché una rappresentazione puramente lineare di ENSO suggerirebbe che invertendo il segno delle anomalie tropicali si dovrebbe ottenere una risposta extratropicale perfettamente opposta. Le osservazioni mostrano invece una sostanziale asimmetria. Rao e Ren hanno dimostrato che la posizione longitudinale della convezione tropicale varia tra eventi caldi e freddi e anche tra eventi di differente intensità; di conseguenza, cambia la sorgente delle onde di Rossby e cambia la geometria del PNA. Nei loro risultati, ENSO presenta sia una componente asimmetrica sia una componente non lineare nella risposta della stratosfera settentrionale, proprio perché le anomalie di precipitazione tropicale e i treni d’onda extratropicali non crescono semplicemente in proporzione lineare all’intensità dell’indice ENSO.
Ciò aiuta a comprendere perché nella Figura 1 dello studio di Wang et al. la risposta superficiale di La Niña sia generalmente opposta a quella di El Niño senza tuttavia costituirne una copia speculare. Intensità, posizione geografica ed estensione delle anomalie possono essere differenti. In particolare, le anomalie sul Nord Pacifico assumono un ruolo centrale perché la circolazione di questa regione costituisce il primo grande collegamento extratropicale del segnale proveniente dal Pacifico tropicale. Una variazione relativamente modesta nella posizione del centro di convezione tropicale può alterare la fase delle onde planetarie rispetto alla climatologia, producendo conseguenze considerevoli sulla depressione delle Aleutine, sul continente nordamericano e, attraverso ulteriori propagazioni ondulatorie, sul settore nord-atlantico.
La risposta associata alla sola QBO appare invece nettamente più debole in prossimità della superficie. Questo risultato è fisicamente plausibile. ENSO rappresenta una perturbazione troposferica di grande ampiezza, sostenuta da estese anomalie oceaniche e da un’intensa redistribuzione della convezione tropicale; la QBO, al contrario, ha la propria massima espressione nella stratosfera tropicale e deve comunicare il proprio segnale alla troposfera attraverso processi indiretti. Durante EQBO, Wang et al. identificano anomalie calde sparse alle latitudini subtropicali e anomalie fredde alle alte latitudini, mentre durante WQBO il segnale termico superficiale appare ancora più debole. La relativa debolezza dei compositi QBO è coerente con la letteratura, che sottolinea quanto sia difficile isolare statisticamente la sua influenza sulla superficie a causa della forte variabilità interna della troposfera e della brevità relativa del record osservativo. Andrews et al. hanno evidenziato come la QBO possieda un’influenza riconoscibile sul vortice polare e sulla circolazione invernale dell’emisfero settentrionale, ma anche come le connessioni superficiali risultino più difficili da stabilire in modo univoco rispetto a quelle stratosferiche.
La via tradizionale attraverso cui la QBO può raggiungere la superficie è associata alla relazione Holton–Tan e alla successiva propagazione discendente delle anomalie del vortice polare. La fase orientale della QBO tende climatologicamente a favorire un vortice polare più debole, mentre la fase occidentale è associata a un vortice mediamente più intenso. Una volta stabilitasi una consistente anomalia del vortice, essa può propagare la propria influenza verso la troposfera nell’arco di giorni o settimane, modificando il Northern Annular Mode e, nel settore atlantico, la North Atlantic Oscillation. Andrews et al. sottolineano tuttavia che esistono anche percorsi alternativi, tra cui un’influenza della circolazione secondaria della QBO sul jet subtropicale e una possibile modulazione della convezione tropicale, che può a sua volta generare onde planetarie dirette verso le medie latitudini.
L’interpretazione dei compositi QBO della Figura 1 deve quindi tenere conto del fatto che la risposta alla superficie costituisce il risultato finale di diversi percorsi dinamici potenzialmente concorrenti. Una configurazione simile alla fase negativa del Northern Annular Mode durante EQBO è coerente con l’indebolimento climatologico del vortice polare associato alla QBO orientale. La fase negativa del NAM è caratterizzata, in termini generali, da pressioni o altezze geopotenziali relativamente elevate nella regione artica e più basse alle medie latitudini, con uno spostamento equatoriale della componente zonale della circolazione occidentale. Al contrario, la fase positiva del NAM è associata a un vortice più compatto, forti venti occidentali alle alte latitudini e una maggiore separazione dinamica tra masse d’aria artiche e medie latitudini. Nel lavoro di Wang et al., il composito EQBO nell’alta troposfera presenta infatti una struttura simile al NAM negativo, mentre WQBO tende verso una struttura di segno opposto.
Il passaggio più significativo dell’analisi consiste tuttavia nel confronto fra gli eventi congiunti ENSO–QBO e la somma lineare dei corrispondenti segnali ENSO e QBO isolati. Questo confronto permette di verificare direttamente se l’atmosfera reagisca alle due forzanti come se queste agissero indipendentemente oppure se la presenza dell’una modifichi la risposta all’altra. I risultati mostrano un quadro molto più sfumato di una semplice alternativa tra linearità e non linearità. Su vaste regioni tropicali, subtropicali e continentali, i pattern superficiali degli eventi combinati rimangono sorprendentemente simili a quelli ottenuti sommando separatamente ENSO e QBO. Ciò indica che una quota importante della risposta troposferica è ancora spiegabile attraverso la sovrapposizione dei due contributi. Tuttavia, emergono anche ampie regioni nelle quali l’intensità o la distribuzione delle anomalie differisce dalla previsione lineare, dimostrando che l’interazione tra le due teleconnessioni modifica effettivamente la risposta atmosferica.
La configurazione El Niño–EQBO è particolarmente interessante. Su gran parte dei tropici e dell’Eurasia, il campo della temperatura a 2 metri assomiglia notevolmente alla somma del puro segnale El Niño e del puro segnale EQBO, confermando una significativa componente lineare. Le maggiori deviazioni compaiono però nel Pacifico nordoccidentale, in Nord America e soprattutto alle alte latitudini. Questo risultato suggerisce che le regioni maggiormente influenzate dai treni di onde planetarie, dai getti e dalla dinamica del vortice siano anche quelle nelle quali la risposta congiunta può divergere maggiormente dall’additività semplice. Lo studio complessivo di Wang et al. identifica infatti proprio nella troposfera artica il settore nel quale la non linearità ENSO–QBO diviene più importante, mentre alle basse e medie latitudini persiste una maggiore linearità.
Un comportamento significativo emerge anche durante El Niño–WQBO. In questa configurazione, le anomalie calde osservate sull’Asia e sul Nord America settentrionale risultano più intense rispetto a quanto previsto sommando semplicemente il segnale di El Niño e quello della QBO occidentale. Questa amplificazione rappresenta un esempio concreto di interazione non lineare, poiché la presenza simultanea dei due fenomeni modifica la risposta oltre ciò che sarebbe prevedibile considerando i loro effetti separatamente. La spiegazione più plausibile coinvolge le modificazioni della propagazione delle onde di Rossby e della corrente a getto subtropicale.
Già Garfinkel e Hartmann avevano mostrato che la fase della QBO è in grado di modulare significativamente la teleconnessione di El Niño nel Nord Pacifico. Nel loro studio, gli eventi El Niño associati a QBO occidentale presentavano una risposta extratropicale più intensa rispetto agli eventi El Niño durante QBO orientale. Gli autori collegavano questa differenza alle anomalie del vento zonale prodotte dalla QBO nella regione del jet subtropicale: modificando il flusso di fondo, la QBO cambia le condizioni di propagazione delle onde di Rossby generate dalla convezione ENSO. In altre parole, la QBO non deve necessariamente produrre da sola una grande anomalia troposferica per esercitare un impatto importante; può agire modificando il mezzo attraverso il quale si propaga il molto più intenso segnale ENSO.
Questo concetto è essenziale per interpretare correttamente la non linearità ENSO–QBO. Una debole anomalia QBO nel campo geopotenziale può produrre una piccola variazione della posizione o dell’intensità del jet subtropicale e, nonostante ciò, modificare significativamente il percorso di un treno d’onde ENSO. In un sistema dinamico, l’effetto di una perturbazione non deve essere valutato soltanto sulla base della sua ampiezza diretta: può essere importante anche la capacità della perturbazione di cambiare la sensibilità del sistema a un’altra forzante. Questo meccanismo fornisce una spiegazione convincente del perché le anomalie superficiali QBO isolate appaiano relativamente deboli, mentre le differenze tra alcune combinazioni ENSO–QBO risultano molto più consistenti.
Un’ulteriore evidenza di questa complessità deriva dalle anomalie dell’altezza geopotenziale a 200 hPa e dal flusso di attività ondulatoria di Takaya–Nakamura riportati nella Figura S1. Il livello di 200 hPa è particolarmente adatto allo studio delle teleconnessioni tropicali ed extratropicali perché si trova nell’alta troposfera, in prossimità delle grandi correnti a getto e della regione in cui le anomalie divergenti associate alla convezione tropicale possono eccitare onde planetarie. Durante El Niño, le anomalie positive dell’altezza geopotenziale nel Pacifico tropicale centrale e orientale sono collegate al riscaldamento anomalo delle acque e alla conseguente intensificazione e redistribuzione della convezione. Procedendo verso nord-est emerge una configurazione caratterizzata da un approfondimento della depressione delle Aleutine, un’anomalia anticiclonica sul Canada e un centro ciclonico sugli Stati Uniti sudorientali. Nel complesso, questa sequenza forma la classica struttura ondulatoria riconducibile alla teleconnessione PNA.
La configurazione è importante non soltanto per la troposfera, ma anche per il collegamento verticale con la stratosfera. Rao e Ren hanno mostrato che un PNA positivo associato agli eventi ENSO caldi tende a essere accompagnato da una maggiore attività dell’onda planetaria zonale numero 1 e da un aumento della propagazione verso l’alto delle onde dalla troposfera extratropicale verso la stratosfera. Durante ENSO freddo tende a verificarsi una risposta di segno opposto, sebbene ancora una volta l’asimmetria tra El Niño e La Niña impedisca una perfetta corrispondenza. Il PNA costituisce quindi non soltanto un ponte orizzontale tra Pacifico tropicale e Nord America, ma anche un elemento importante della connessione verticale tra ENSO e vortice polare stratosferico.
La Niña mostra infatti un pattern di altezza geopotenziale generalmente opposto a quello di El Niño, ma più debole e non perfettamente speculare, soprattutto nel Nord Pacifico. Anche questa asimmetria può essere ricondotta alla diversa collocazione delle anomalie convettive tropicali. Poiché la propagazione delle onde di Rossby dipende fortemente dalla posizione della sorgente rispetto ai getti e ai gradienti di vorticità potenziale, spostamenti longitudinali della convezione possono generare strutture ondulatorie molto differenti. La risposta extratropicale non deve quindi essere considerata una funzione semplice e monotona dell’indice Niño3 o Niño3.4: la struttura spaziale dell’anomalia tropicale è altrettanto importante quanto la sua intensità.
Lo strumento utilizzato da Wang et al. per diagnosticare queste differenze, il flusso di attività ondulatoria di Takaya e Nakamura, riveste un valore particolare. Tale diagnostica è stata sviluppata per descrivere la propagazione delle perturbazioni quasigeostrofiche stazionarie o migranti su un flusso di fondo che può variare longitudinalmente. A differenza della sola altezza geopotenziale, che rappresenta la configurazione delle anomalie, il vettore del flusso fornisce informazioni sulla direzione lungo cui si propaga l’attività delle onde di Rossby. Nel limite appropriato, i vettori risultano orientati parallelamente alla velocità di gruppo delle onde e sono sostanzialmente indipendenti dalla loro fase, rendendoli particolarmente utili per identificare i percorsi delle teleconnessioni atmosferiche.
L’applicazione di questa diagnostica rivela un aspetto fondamentale: la configurazione dell’altezza geopotenziale può risultare relativamente simile alla somma lineare dei segnali ENSO e QBO, mentre il campo del flusso ondulatorio può mostrare differenze molto più profonde. Ciò significa che una circolazione apparentemente quasi lineare in termini di anomalie medie può nascondere cambiamenti sostanziali nei meccanismi attraverso i quali le onde propagano energia e quantità di moto. Questa distinzione aiuta a spiegare perché la non linearità diventi più evidente quando si analizzano i processi dinamici piuttosto che soltanto i campi medi.
Durante El Niño–EQBO, per esempio, Wang et al. mostrano che la depressione anomala del Nord Pacifico non si limita a intensificarsi come ci si aspetterebbe sommando i due segnali individuali, ma tende a separarsi in due distinti centri. Una variazione di questo tipo modifica la geometria dell’intera struttura ondulatoria. Nello stesso caso, le anomalie del flusso Takaya–Nakamura indicano regioni sorgente e percorsi ondulatori che si estendono dall’Eurasia occidentale verso la Cina meridionale e poi attraverso l’Eurasia fino al Nord America. Questa configurazione differisce chiaramente dalla sovrapposizione lineare, maggiormente dominata dal segnale di El Niño, fornendo quindi una manifestazione dinamica diretta della componente non lineare della risposta.
Ancora più significativo è il comportamento degli eventi El Niño–WQBO, nei quali l’attività ondulatoria risulta più intensa rispetto sia al puro El Niño sia alla combinazione El Niño–EQBO. Tale caratteristica è notevolmente coerente con i risultati di Garfinkel e Hartmann, secondo cui la teleconnessione El Niño sul Nord Pacifico viene rafforzata durante determinate condizioni di QBO occidentale grazie alla modificazione dei venti troposferici e del jet subtropicale. Il fatto che la risposta congiunta superi quella prevista dalla semplice somma dei due segnali dimostra che in questo caso la QBO agisce come modulatore dell’efficienza con cui il forcing tropicale ENSO genera e trasmette onde verso le regioni extratropicali.
Risultati più recenti di Ma et al. estendono questo concetto al settore nord-atlantico. Gli autori hanno mostrato che l’influenza congiunta di ENSO e QBO sulla circolazione invernale del Nord Atlantico può essere fortemente non lineare perché il percorso della teleconnessione QBO cambia a seconda della fase ENSO. Durante El Niño, la connessione tende a utilizzare prevalentemente una via subtropicale: la QBO modifica il jet subtropicale tra Pacifico e Atlantico e altera la propagazione dei treni di onde di Rossby verso est. Durante La Niña diventa invece più importante una via polare mediata dal vortice stratosferico. Ne deriva che la stessa fase della QBO può produrre effetti differenti a seconda dello stato dell’oceano Pacifico tropicale.
Nello studio di Ma et al., gli eventi El Niño associati alla QBO occidentale mostrano un treno d’onde assimilabile alla configurazione Tropical Northern Hemisphere più intenso e maggiormente esteso verso il Nord Atlantico. Durante El Niño–EQBO, invece, la propagazione lungo il jet subtropicale risulta più debole. Questo risultato fornisce un contesto importante per comprendere le differenze osservate da Wang et al. nel flusso di attività ondulatoria: la fase della QBO può intervenire sull’intera struttura della guida d’onda subtropicale e non semplicemente aggiungere un proprio centro di altezza geopotenziale a quello ENSO.
Al contrario, le configurazioni congiunte La Niña–QBO analizzate da Wang et al. mostrano generalmente una maggiore somiglianza con la sovrapposizione lineare dei segnali individuali. Ciò non implica l’assenza di interazioni, ma indica che per tali combinazioni le componenti non lineari risultano relativamente meno importanti rispetto al segnale complessivo. Una possibile interpretazione risiede nella diversa struttura della teleconnessione di La Niña e nel differente rapporto tra percorso subtropicale e percorso stratosferico-polare. Ma et al. mostrano infatti che durante gli inverni La Niña la QBO tende a comunicare maggiormente con il Nord Atlantico attraverso il vortice polare, mentre durante El Niño il percorso subtropicale assume un peso maggiore. È pertanto plausibile che la combinazione di diverse vie dinamiche determini gradi di non linearità differenti a seconda della fase ENSO.
Uno dei risultati più interessanti della Figura 1 riguarda tuttavia l’Artico. Le maggiori differenze tra i compositi congiunti ENSO–QBO e le rispettive somme lineari compaiono infatti nell’area comprendente il Mare di Barents, il Mare di Kara e Novaja Zemlja. Questa regione è climatologicamente particolare perché rappresenta uno dei principali punti di scambio di calore e umidità tra il Nord Atlantico e l’Oceano Artico. La copertura di ghiaccio marino presenta una forte variabilità interannuale e può essere contemporaneamente una risposta alla circolazione atmosferica e una sorgente di feedback termodinamici verso l’atmosfera. Diventa quindi difficile stabilire se un’anomalia della temperatura superficiale osservata in quest’area sia direttamente prodotta dalla teleconnessione ENSO–QBO oppure sia almeno in parte mediata da variazioni indipendenti o concomitanti del ghiaccio marino.
Gli autori affrontano esplicitamente questa difficoltà rimuovendo statisticamente il contributo della concentrazione del ghiaccio marino nei mari di Barents e Kara mediante una regressione multipla insieme agli indici ENSO o QBO. Il risultato è particolarmente istruttivo: una volta ridotta l’interferenza associata al ghiaccio marino, la risposta combinata ENSO–QBO diventa molto più simile alla sovrapposizione lineare dei due segnali, specialmente nella regione Barents–Kara. Ciò indica che almeno una parte della non linearità apparente osservata inizialmente alla superficie non nasce necessariamente dall’interazione diretta tra ENSO e QBO, ma può derivare dalla presenza di una terza componente climatica capace di modulare o amplificare le anomalie locali.
Questa precauzione è pienamente giustificata dalla letteratura recente. Uno studio pubblicato su Nature Communications ha mostrato che la variabilità interannuale invernale del ghiaccio marino nei mari di Barents e Kara può essere significativamente influenzata da ENSO attraverso un percorso atlantico che coinvolge la circolazione di Hadley, anomalie simili alla NAO, trasporto di calore oceanico e atmosferico e blocchi sugli Urali. In quel lavoro, La Niña favorisce condizioni che aumentano il trasporto di calore e umidità verso il settore Barents–Kara, mentre El Niño produce una configurazione mediamente opposta. La variabilità del ghiaccio non può quindi essere considerata indipendente dalla stessa forzante ENSO che si cerca di isolare, rendendo particolarmente delicata l’attribuzione causale delle anomalie termiche artiche.
Allo stesso tempo, il rapporto fra ghiaccio marino artico e circolazione atmosferica extratropicale rimane complesso e non unidirezionale. Alcuni studi modellistici hanno collegato la riduzione del ghiaccio Barents–Kara a una maggiore frequenza di configurazioni di blocco sugli Urali e ad anomalie termiche sull’Eurasia, mentre altre analisi hanno sottolineato la notevole dipendenza del segnale dal periodo considerato e dalla variabilità atmosferica interna. Per questa ragione la rimozione statistica adottata da Wang et al. rappresenta un passaggio importante: consente di verificare se la forte non linearità artica sopravviva una volta ridotto il contributo del ghiaccio marino.
La risposta è in parte affermativa. Dopo la rimozione dell’influenza Barents–Kara, molte delle differenze tra risposta congiunta e somma lineare si riducono sensibilmente, ma nella configurazione El Niño–EQBO rimane una non linearità significativa. Questo risultato rafforza l’idea che tale combinazione possieda caratteristiche dinamiche peculiari. ENSO e QBO orientale possono entrambi influenzare la circolazione delle alte latitudini, ma non necessariamente attraverso lo stesso percorso e con la stessa tempistica. El Niño agisce attraverso la teleconnessione PNA e l’aumento, in media, dell’attività ondulatoria verso la stratosfera; EQBO modifica le condizioni di propagazione delle onde e tende climatologicamente a indebolire il vortice polare. La loro concomitanza può quindi modificare la struttura del flusso di fondo e la propagazione delle onde in modo tale da generare una risposta che non equivale semplicemente alla somma dei due effetti separati.
Questa interpretazione deve tuttavia essere conciliata con il risultato generale dello studio, secondo cui la stratosfera mantiene una forte linearità. La chiave è distinguere il comportamento medio del vortice e della circolazione zonale da quello delle teleconnessioni regionali troposferiche. Nella stratosfera, la risposta combinata ENSO–QBO può essere largamente ricostruita sommando i segnali individuali. Scendendo verso la troposfera, la medesima anomalia entra in un sistema caratterizzato da jet, storm track, blocchi, feedback degli eddies e condizioni superficiali fortemente variabili. Piccole differenze nell’anomalia stratosferica o subtropicale possono quindi essere amplificate e trasformate, producendo strutture regionali non lineari. È precisamente questa variazione verticale a costituire il messaggio centrale del lavoro di Wang et al.
La dinamica ondulatoria permette di comprendere perché ciò avvenga. Il percorso di una Rossby wave dipende dalla configurazione del vento zonale e dai gradienti della vorticità potenziale. Se ENSO modifica la sorgente delle onde tropicali e la QBO altera anche modestamente il jet o la struttura del flusso di fondo, l’effetto combinato può modificare la traiettoria del pacchetto d’onde. Una perturbazione che, nel caso lineare, sarebbe diretta verso il Nord America può essere deviata, rafforzata o prolungata verso il Nord Atlantico; analogamente, una diversa interferenza con le onde climatologiche può trasformare un centro singolo di anomalia geopotenziale in una struttura composta da più centri. In questa prospettiva, la non linearità ENSO–QBO è soprattutto una non linearità della propagazione e dell’interferenza ondulatoria.
Il fatto che il flusso Takaya–Nakamura mostri differenze più marcate del campo di geopotenziale è quindi particolarmente significativo. Il geopotenziale rappresenta lo stato finale della circolazione, mentre il flusso d’attività ondulatoria evidenzia il processo attraverso cui il segnale viene trasferito. Un campo geopotenziale apparentemente simile può essere mantenuto da differenti percorsi delle onde e può quindi possedere una diversa sensibilità alle successive perturbazioni. Dal punto di vista della prevedibilità stagionale, questo significa che conoscere soltanto lo stato medio di ENSO e QBO potrebbe non essere sufficiente a determinare con precisione la risposta regionale: è necessario rappresentare correttamente anche il jet, la posizione delle sorgenti convettive e le guide d’onda troposferiche.
La distinzione diventa ancora più rilevante considerando il Nord Atlantico e l’Europa, dove la variabilità interna associata alla NAO è particolarmente intensa. Ma et al. mostrano che ENSO e QBO possono produrre una risposta sinergica sulla pressione superficiale nord-atlantica e che diverse combinazioni possono privilegiare percorsi dinamici differenti. Ciò significa che la risposta europea non può essere dedotta semplicemente affermando che El Niño favorisce una determinata fase della NAO mentre una specifica fase della QBO ne favorisce un’altra. La sovrapposizione dei due segnali può alterare la propagazione delle onde, producendo una configurazione del Nord Atlantico qualitativamente differente da quella prevista attraverso una semplice somma.
In questo contesto, i risultati della sezione 3.1 delineano un quadro nel quale ENSO rappresenta la sorgente dominante della risposta troposferica, mentre la QBO svolge frequentemente il ruolo di modulatore. Il segnale diretto della QBO alla superficie è relativamente debole, ma ciò non implica che la sua influenza sia trascurabile. Attraverso variazioni del vortice stratosferico, del NAM, del jet subtropicale e delle condizioni di propagazione delle onde, la QBO può alterare profondamente il modo in cui una più intensa perturbazione ENSO viene trasferita verso le medie e alte latitudini. La distinzione tra “forzante dominante” e “modulatore dinamico” è quindi particolarmente utile per interpretare i compositi congiunti.
È inoltre importante sottolineare che la linearità osservata alle basse e medie latitudini e la crescente non linearità alle alte latitudini non devono essere considerate contraddittorie. Esse riflettono piuttosto il progressivo aumento della complessità dinamica lungo il percorso della teleconnessione. Vicino alle regioni tropicali di origine, la risposta atmosferica è maggiormente vincolata dal forte forcing ENSO e, nel caso della QBO, dai regimi di vento stratosferici. Procedendo verso le alte latitudini, il segnale interagisce con un numero crescente di gradi di libertà della circolazione: onde sinottiche, getti, blocchi, vortice polare, ghiaccio marino e feedback superficie–atmosfera. Di conseguenza, la componente prevedibile associata alle forzanti tropicali diminuisce relativamente rispetto alla variabilità interna e alle interazioni non lineari.
La configurazione della temperatura superficiale descritta dalla Figura 1 e quella dell’attività ondulatoria riportata nella Figura S1 costituiscono pertanto due rappresentazioni complementari dello stesso problema. La prima mostra l’esito climatico prossimo alla superficie; la seconda permette di ricostruire i processi dinamici che contribuiscono a produrlo. La temperatura a 2 metri rivela una risposta complessivamente dominata da ENSO ma modificata dalla fase della QBO, con differenze particolarmente evidenti nell’Artico e in alcune regioni continentali. Il geopotenziale a 200 hPa e il flusso Takaya–Nakamura mostrano invece che queste differenze possono essere ricondotte a una riorganizzazione delle onde planetarie e delle loro vie di propagazione.
Nel complesso, la sezione 3.1 fornisce quindi una delle evidenze più chiare della natura verticalmente e geograficamente dipendente dell’interazione ENSO–QBO. La risposta troposferica non è né completamente lineare né universalmente non lineare. Su grandi aree dei tropici e delle medie latitudini, la somma dei segnali ENSO e QBO descrive ancora una parte consistente delle anomalie osservate, confermando che le due teleconnessioni mantengono un certo grado di indipendenza. Nelle regioni nelle quali la propagazione delle onde, il vortice polare e la circolazione artica acquistano maggiore importanza, questa additività si deteriora progressivamente. Gli eventi El Niño associati alla QBO orientale o occidentale mostrano in particolare come una fase QBO relativamente debole alla superficie possa modificare profondamente il percorso e l’intensità della teleconnessione ENSO, mentre le combinazioni La Niña–QBO tendono nel complesso a conservare una maggiore somiglianza con la risposta lineare.
L’elemento scientificamente più significativo non è pertanto stabilire semplicemente se ENSO e QBO interagiscano oppure no, ma comprendere dove e attraverso quali processi tale interazione divenga importante. I risultati indicano che la stratosfera e la troposfera tropicale conservano una forte componente lineare, mentre la troposfera delle alte latitudini rappresenta il dominio nel quale la dinamica interna dell’atmosfera è maggiormente in grado di rielaborare i segnali provenienti dai tropici. L’Artico, il Nord Pacifico e il settore nord-atlantico emergono quindi come regioni particolarmente sensibili alle interazioni tra ENSO e QBO, poiché costituiscono zone di convergenza tra teleconnessioni tropicali, attività delle onde planetarie, variabilità del vortice polare e feedback con la superficie.
Da questo punto di vista, la maggiore attività ondulatoria osservata in alcune configurazioni congiunte, la separazione dei centri geopotenziali durante El Niño–EQBO e l’amplificazione delle anomalie durante El Niño–WQBO costituiscono manifestazioni differenti dello stesso principio dinamico: una perturbazione relativamente modesta dello stato di fondo può modificare l’efficienza con cui una teleconnessione molto più intensa si propaga attraverso l’atmosfera. Questo principio contribuisce a spiegare perché la QBO rappresenti una potenziale sorgente di prevedibilità stagionale non soltanto attraverso la sua influenza sul vortice polare, ma anche attraverso la modulazione delle teleconnessioni ENSO. Garfinkel e Hartmann avevano già mostrato che incorporare l’informazione relativa alla fase QBO può migliorare l’interpretazione della risposta nord-pacifica a El Niño; gli studi successivi sul Nord Atlantico e i risultati di Wang et al. estendono questa prospettiva, mostrando che la modulazione può interessare una parte molto più ampia della circolazione invernale dell’emisfero settentrionale.
La conseguenza più importante è che la previsione stagionale della circolazione invernale non dovrebbe considerare ENSO e QBO come indici completamente indipendenti i cui effetti possano essere sempre sommati meccanicamente. Una simile approssimazione può essere sorprendentemente efficace nella stratosfera e rimane utile su vaste regioni della troposfera, ma perde progressivamente validità laddove i segnali interagiscono con i jet, le guide d’onda e la circolazione polare. Il valore predittivo della combinazione ENSO–QBO dipende quindi non soltanto dalla capacità di prevedere correttamente le loro fasi, ma anche dalla capacità dei modelli di rappresentare la propagazione delle onde di Rossby, la struttura dei getti e l’accoppiamento stratosfera–troposfera. In questo senso, la sezione 3.1 dello studio fornisce una base dinamica particolarmente importante per comprendere perché la forte linearità osservata nella stratosfera si trasformi gradualmente in una risposta più regionalizzata e non lineare avvicinandosi alla superficie e alle alte latitudini dell’emisfero settentrionale.
Figura 1 – Risposta della temperatura superficiale agli eventi ENSO e QBO individuali e congiunti: linearità, teleconnessioni e non linearità alle alte latitudini
La Figura 1 costituisce uno dei passaggi centrali dello studio di Wang et al., perché consente di osservare direttamente come la temperatura dell’aria prossima alla superficie risponda alle diverse fasi di ENSO e della Quasi-Biennial Oscillation considerate separatamente e, soprattutto, come tale risposta cambi quando i due fenomeni agiscono contemporaneamente. L’interesse scientifico della figura non risiede soltanto nella distribuzione geografica delle anomalie termiche, ma nel confronto sistematico tra la risposta realmente associata alle configurazioni congiunte ENSO–QBO e quella che sarebbe attesa qualora i due segnali atmosferici potessero essere semplicemente sommati. In questo modo la temperatura a 2 metri diventa una sorta di indicatore finale della capacità delle perturbazioni tropicali e stratosferiche di propagarsi attraverso l’intera colonna atmosferica e raggiungere la superficie. Il risultato fondamentale è che una componente additiva rimane chiaramente riconoscibile su vaste aree del pianeta, ma la sua efficacia diminuisce sensibilmente nelle regioni extratropicali e soprattutto nell’Artico, dove le interazioni tra onde planetarie, circolazione troposferica, vortice polare, ghiaccio marino e variabilità interna determinano una risposta più complessa. È esattamente questo gradiente geografico della linearità, forte ai tropici e progressivamente meno evidente alle alte latitudini, a rappresentare uno dei risultati principali dell’intero lavoro.
La figura è costruita secondo una logica sperimentale particolarmente efficace. I pannelli (a) e (b) mostrano rispettivamente il segnale di El Niño e quello di La Niña dopo che il contributo della QBO è stato rimosso statisticamente mediante regressione lineare; analogamente, i pannelli (c) e (d) mostrano le anomalie associate rispettivamente alla QBO orientale, EQBO, e occidentale, WQBO, dopo la rimozione del segnale ENSO. L’obiettivo di questa procedura è ricavare, per quanto possibile, due risposte atmosferiche “pure”, riducendo l’interferenza reciproca dei fenomeni. I pannelli (e–h) mostrano invece ciò che accade durante gli eventi realmente congiunti, mentre i pannelli (i–l) rappresentano la somma lineare dei rispettivi segnali puri. Il confronto tra le ultime due serie di pannelli consente quindi di identificare immediatamente le regioni in cui l’atmosfera si comporta in maniera quasi additiva e quelle in cui emergono differenze significative. Le aree contrassegnate dai punti neri sono quelle nelle quali le anomalie raggiungono il livello di confidenza del 95%, fornendo un’indicazione della robustezza statistica dei segnali compositi.
Il pannello relativo al puro El Niño evidenzia innanzitutto la forte impronta termica del Pacifico equatoriale centrale e orientale. L’estesa anomalia positiva della temperatura a 2 metri è la conseguenza più diretta della fase calda di ENSO, ma ciò che rende climaticamente importante El Niño è la capacità del forcing tropicale di riorganizzare la circolazione atmosferica ben oltre la regione oceanica in cui nasce. Il riscaldamento della superficie marina altera la convezione profonda tropicale, modifica il rilascio di calore latente e produce anomalie della divergenza nell’alta troposfera. Queste perturbazioni costituiscono una sorgente efficace di onde di Rossby che possono propagarsi verso le medie latitudini e generare grandi strutture di teleconnessione. Nel Pacifico settentrionale e nel Nord America, una delle manifestazioni più importanti di tale processo è il Pacific–North American pattern, il PNA, che rappresenta uno dei principali canali attraverso cui ENSO modifica il clima invernale extratropicale.
L’influenza del PNA è ben leggibile nella distribuzione termica della figura. Durante El Niño emergono anomalie positive dall’Alaska verso il Canada e le regioni centrali del Nord America, mentre un’anomalia fredda interessa il Pacifico settentrionale e alcune aree più meridionali del continente. Questa configurazione non deriva da un semplice trasferimento di calore dal Pacifico tropicale verso nord, ma da modificazioni della circolazione atmosferica che alterano l’origine e la traiettoria delle masse d’aria. Le creste e le saccature associate al PNA cambiano infatti l’avvezione meridionale, la posizione della corrente a getto e la frequenza dei regimi ciclonici e anticiclonici. Di conseguenza, il segnale termico superficiale rappresenta il prodotto integrato della risposta dinamica dell’atmosfera al forcing tropicale.
Rao e Ren hanno mostrato come questa teleconnessione sia tutt’altro che rigidamente lineare. La posizione longitudinale delle anomalie convettive tropicali cambia fra eventi El Niño e La Niña e anche in funzione dell’intensità degli eventi stessi. Ciò modifica la posizione della sorgente delle onde di Rossby e quindi la configurazione del PNA, producendo una risposta extratropicale asimmetrica. In particolare, i loro risultati indicano che eventi ENSO di diversa intensità possono non produrre una risposta atmosferica proporzionale alla loro ampiezza oceanica: un El Niño moderato può, in determinate circostanze, generare una perturbazione del PNA e della propagazione ondulatoria stratosferica più efficace di un evento più intenso. Questa non linearità è collegata al fatto che la convezione tropicale dipende non soltanto dall’ampiezza dell’anomalia della temperatura marina, ma anche dalla temperatura climatologica di fondo e dalla posizione dell’anomalia rispetto alla warm pool e alla cold tongue del Pacifico equatoriale.
È quindi significativo che il pannello di La Niña presenti una configurazione generalmente opposta a quella di El Niño senza costituirne un’esatta immagine speculare. Nel Pacifico equatoriale prevalgono naturalmente anomalie fredde, mentre molte delle strutture termiche extratropicali cambiano segno. Tuttavia, intensità, estensione e localizzazione differiscono rispetto al caso caldo. Questa asimmetria rappresenta una proprietà fondamentale di ENSO. La risposta convettiva alle anomalie positive e negative della temperatura marina non è simmetrica perché la convezione profonda tropicale è altamente sensibile al raggiungimento di specifiche condizioni termodinamiche superficiali. Una perturbazione positiva in una regione già prossima alla soglia convettiva può produrre una risposta atmosferica molto intensa, mentre un’anomalia negativa della stessa ampiezza in una regione climatologicamente meno convettiva può generare una perturbazione molto più modesta. Di conseguenza, anche le teleconnessioni extratropicali risultano intrinsecamente asimmetriche.
Questa caratteristica è importante per interpretare l’intero esperimento sulla linearità ENSO–QBO. Se già il solo ENSO possiede una risposta non perfettamente simmetrica, non ci si deve aspettare che le combinazioni El Niño–QBO e La Niña–QBO siano necessariamente equivalenti salvo l’inversione del segno. L’atmosfera possiede infatti uno stato di fondo differente nelle due fasi ENSO, e tale differenza determina le condizioni nelle quali la perturbazione QBO viene inserita. La risposta congiunta dipende quindi non soltanto dalla somma delle anomalie individuali, ma anche dalla possibilità che uno dei fenomeni modifichi il contesto dinamico nel quale agisce l’altro.
Questo punto emerge ancora più chiaramente osservando i pannelli associati alla sola QBO. Rispetto a ENSO, la risposta della temperatura a 2 metri appare molto più debole e frammentata. La fase orientale mostra anomalie fredde relativamente diffuse alle alte latitudini e deboli segnali caldi in alcune regioni subtropicali, mentre la fase occidentale produce una risposta superficiale ancora più modesta. La differenza di ampiezza tra ENSO e QBO è fisicamente coerente con l’origine profondamente diversa dei due fenomeni. ENSO agisce direttamente sulla troposfera tropicale attraverso anomalie della temperatura oceanica, della convezione e del riscaldamento diabatico; la QBO, invece, ha il proprio massimo nella stratosfera tropicale e deve trasferire il proprio segnale verso la troposfera attraverso meccanismi più indiretti.
La teleconnessione QBO verso le alte latitudini è tradizionalmente associata alla relazione Holton–Tan. Durante la fase orientale della QBO, le modificazioni dei venti stratosferici tropicali e subtropicali alterano le condizioni di propagazione delle onde planetarie, favorendo mediamente una maggiore perturbazione del vortice polare boreale. Il vortice tende quindi a risultare più debole e più caldo rispetto alla fase occidentale, mentre durante WQBO le condizioni climatologiche risultano mediamente più favorevoli a un vortice intenso. Tuttavia, anche in questo caso la risposta non è deterministica. La QBO modifica le probabilità di determinate configurazioni dinamiche, ma non determina da sola lo stato della troposfera superficiale. Questo contribuisce a spiegare perché nei pannelli (c) e (d) il segnale della temperatura prossima al suolo sia relativamente debole.
Il fatto che il segnale superficiale diretto della QBO sia modesto non significa però che la sua influenza sugli eventi ENSO debba essere altrettanto piccola. Qui risiede uno dei concetti più importanti della Figura 1. Una perturbazione debole può esercitare un effetto dinamico significativo se modifica la struttura del flusso atmosferico attraverso cui si propaga una perturbazione molto più intensa. La QBO può cioè comportarsi come un modulatore della teleconnessione ENSO. Garfinkel e Hartmann hanno mostrato che durante El Niño la risposta del Nord Pacifico tende a essere sensibilmente più intensa quando la QBO equatoriale è occidentale rispetto a quando è orientale, almeno utilizzando una definizione della fase QBO basata sui venti intorno a 70 hPa. Nel loro studio, la fase orientale era associata a un’anomalia anticiclonica sul Nord Pacifico e a modificazioni dei venti nella regione del jet subtropicale tali da indebolire la risposta extratropicale alla forzante tropicale di El Niño. Esperimenti con un modello shallow-water linearizzato attorno a queste anomalie del vento hanno fornito un supporto dinamico all’idea che la QBO possa modificare l’efficienza con cui il forcing tropicale genera una risposta extratropicale.
Questa chiave interpretativa permette di comprendere molto bene il confronto tra i pannelli congiunti e quelli costruiti mediante somma lineare. Nel caso El Niño–EQBO, la struttura generale delle anomalie mostra una certa somiglianza con la somma dei due segnali individuali, soprattutto nei tropici e su alcune regioni dell’Eurasia. Tuttavia, il confronto rivela differenze più marcate sul Pacifico settentrionale, sul Nord America e soprattutto nelle regioni artiche. Il valore di r pari a 0,68 riportato nel pannello congiunto indica una corrispondenza spaziale soltanto moderata rispetto agli altri casi mostrati nella figura. Nel contesto della figura, questo valore evidenzia che la semplice somma di El Niño ed EQBO riesce a riprodurre una parte importante della struttura osservata, ma lascia comunque una componente residua consistente.
Questa combinazione risulta particolarmente interessante perché sia El Niño sia EQBO possono, per vie differenti, influenzare l’attività delle onde planetarie e il vortice polare. El Niño modifica la generazione delle onde troposferiche attraverso la convezione tropicale e il PNA, mentre EQBO cambia le condizioni di propagazione delle onde attraverso la stratosfera tropicale e subtropicale. Quando i due fenomeni coesistono, l’ambiente attraverso il quale le onde si propagano non è più uguale a quello presente nei compositi ENSO o QBO isolati. La risultante può quindi differire dalla semplice addizione aritmetica dei due segnali.
È importante sottolineare che questo non significa necessariamente che l’intera risposta atmosferica diventi fortemente non lineare. Lo studio di Wang et al. mostra, al contrario, che nella stratosfera domina una notevole linearità. La non linearità cresce invece soprattutto scendendo verso la troposfera e concentrandosi in determinate regioni. Ciò suggerisce che il passaggio dalla stratosfera alla superficie comporti una progressiva rielaborazione del segnale da parte della dinamica troposferica. Un’anomalia inizialmente quasi additiva può infatti interagire con jet, storm track, blocchi atmosferici e feedback degli eddies, producendo alla superficie una configurazione molto più complessa.
La combinazione El Niño–WQBO fornisce un secondo esempio particolarmente significativo. Il composito osservato mostra estese anomalie positive sull’Asia e sul Nord America settentrionale, oltre naturalmente al segnale caldo tropicale, mentre nel Pacifico settentrionale compare un’importante anomalia fredda. Il confronto con la somma lineare El Niño + WQBO mostra una somiglianza maggiore rispetto al caso precedente, coerente con il valore r = 0,79 riportato nella figura. Tuttavia, il riscaldamento di alcune regioni continentali appare più intenso nell’evento congiunto rispetto alla previsione additiva. Ciò suggerisce un’amplificazione dinamica della teleconnessione.
Questo comportamento è coerente con il quadro proposto da Garfinkel e Hartmann. Se WQBO rende la configurazione dei venti subtropicali più favorevole alla propagazione della risposta generata dalla convezione di El Niño, la conseguenza può essere una teleconnessione più intensa rispetto a quella che deriverebbe sommando separatamente una debole anomalia QBO e un composito El Niño medio. In questo caso la non linearità non nasce necessariamente da una nuova sorgente di energia atmosferica, ma dalla modificazione dell’efficienza con cui il forcing ENSO viene trasmesso verso le regioni extratropicali.
Questo principio può essere formulato in termini dinamici più generali. La propagazione delle onde di Rossby dipende fortemente dallo stato del flusso zonale di fondo. I getti atmosferici possono agire come guide d’onda, incanalando le perturbazioni e determinando la loro traiettoria. Una piccola anomalia del vento in prossimità di una regione critica può alterare significativamente la capacità di un pacchetto d’onde di attraversare una determinata latitudine o di propagarsi lungo un certo settore longitudinale. La QBO può dunque esercitare un’influenza sproporzionata rispetto all’ampiezza del proprio segnale superficiale perché agisce sul “mezzo di propagazione” della teleconnessione ENSO.
La stessa idea viene rafforzata da Ma et al., che hanno analizzato specificamente l’interazione QBO–ENSO sulla circolazione invernale del Nord Atlantico. Gli autori hanno mostrato che il percorso attraverso il quale la QBO influenza la troposfera cambia a seconda della fase di ENSO. Durante El Niño prevale maggiormente una via subtropicale che coinvolge modificazioni del jet subtropicale Pacifico–Atlantico e della propagazione delle onde di Rossby; durante La Niña, invece, diventa relativamente più importante una via polare mediata dalle modificazioni del vortice stratosferico. Ne deriva una risposta non lineare della circolazione nord-atlantica, perché ENSO non si limita ad aggiungere una propria anomalia al segnale QBO, ma modifica il canale dinamico attraverso cui quest’ultimo raggiunge la troposfera.
Questo risultato aiuta anche a interpretare le differenze tra le configurazioni El Niño e quelle La Niña osservate nella Figura 1. Nel caso La Niña–EQBO il valore di correlazione indicato è 0,72, mentre durante La Niña–WQBO raggiunge 0,89. Quest’ultima combinazione appare quindi particolarmente vicina alla sovrapposizione lineare. La somiglianza visiva tra i pannelli (h) e (l) è infatti notevole: molte delle principali strutture termiche risultano riprodotte correttamente sia nel segno sia nella posizione geografica. Questo suggerisce che, in tale configurazione, i segnali ENSO e QBO mantengano una maggiore indipendenza relativa oppure che le componenti non lineari siano piccole rispetto alla risposta complessiva.
La Niña–EQBO mostra invece discrepanze più evidenti, soprattutto alle alte latitudini e in Nord America. Ancora una volta, la distribuzione geografica delle differenze indica che le regioni più sensibili sono quelle nelle quali la circolazione è fortemente influenzata dall’interazione fra teleconnessioni planetarie e dinamica polare. Il confronto tra tutti e quattro i casi congiunti suggerisce pertanto che la non linearità non dipenda esclusivamente dall’intensità del segnale tropicale, ma dalla specifica combinazione di ENSO e QBO e dal modo in cui questa combinazione modifica la struttura del flusso atmosferico.
Particolarmente interessante è il comportamento dell’Artico. Le maggiori differenze tra i pannelli congiunti e le rispettive somme lineari emergono in una regione che comprende il Mare di Barents, il Mare di Kara e Novaja Zemlja. Si tratta di un’area climaticamente molto sensibile, nella quale la temperatura superficiale invernale è fortemente condizionata dalla copertura del ghiaccio marino e dagli scambi di calore tra oceano e atmosfera. Un oceano privo di ghiaccio durante l’inverno può trasferire grandi quantità di calore sensibile e latente all’atmosfera sovrastante, mentre una superficie coperta da ghiaccio isola molto più efficacemente l’oceano dall’aria fredda artica. Di conseguenza, variazioni relativamente piccole della concentrazione di ghiaccio possono tradursi in anomalie termiche superficiali di notevole ampiezza.
Questo problema rende difficile attribuire direttamente tutte le anomalie osservate nell’area Barents–Kara alla sola combinazione ENSO–QBO. Wang et al. affrontano quindi la questione rimuovendo statisticamente il contributo della variabilità della concentrazione del ghiaccio marino. Dopo questa correzione, la somiglianza tra le configurazioni congiunte e la sovrapposizione lineare aumenta significativamente, soprattutto nella regione artica. Questo risultato implica che una parte dell’apparente non linearità osservata nella temperatura a 2 metri è in realtà collegata alla variabilità del sistema ghiaccio–oceano–atmosfera e non deriva esclusivamente dall’interazione dinamica diretta tra ENSO e QBO. Tuttavia, nel caso El Niño–EQBO rimane comunque una componente non lineare apprezzabile, confermando la peculiarità di questa configurazione.
La necessità di considerare la variabilità del ghiaccio marino è rafforzata da studi recenti dedicati alle connessioni fra ENSO e il settore Barents–Kara. Un lavoro pubblicato su Nature Communications ha mostrato che la variabilità interannuale del ghiaccio marino invernale di questa regione può essere modulata da ENSO attraverso un percorso che coinvolge la circolazione atlantica. In particolare, nello studio La Niña era associata a un rafforzamento della cella di Hadley atlantica e a un’anomalia simile alla fase positiva della NAO, accompagnata da blocchi sugli Urali e da un maggiore trasporto di calore oceanico e umidità atmosferica verso i mari di Barents e Kara; questa configurazione favoriva il riscaldamento superficiale e la perdita di ghiaccio. Durante El Niño emergeva mediamente una risposta opposta, con minore trasporto polare e maggiore concentrazione di ghiaccio.
Questo risultato evidenzia quanto sia complessa la causalità nelle regioni artiche. ENSO può modificare direttamente la circolazione atmosferica, ma questa circolazione può a sua volta alterare il ghiaccio marino, che successivamente modifica i flussi di calore verso l’atmosfera. La temperatura superficiale osservata è dunque la risultante di diversi passaggi concatenati. La regressione utilizzata da Wang et al. serve proprio a ridurre questa contaminazione e a isolare meglio la componente atmosferica associata alle teleconnessioni ENSO–QBO.
La Figura 1 mette quindi in luce una distinzione fondamentale tra linearità della struttura generale e non linearità regionale. È possibile che due mappe presentino una buona somiglianza complessiva e, contemporaneamente, differiscano fortemente in alcune aree climaticamente importanti. I coefficienti riportati nei pannelli congiunti devono essere letti in questa prospettiva. Valori relativamente elevati indicano che la struttura spaziale media è in buona parte ricostruibile attraverso la somma dei segnali individuali, ma non escludono deviazioni locali significative. Anzi, proprio tali deviazioni costituiscono il principale interesse dello studio perché mostrano dove l’interazione dinamica tra ENSO e QBO diventa importante.
La crescente non linearità alle alte latitudini è inoltre coerente con la natura stessa della circolazione atmosferica extratropicale. Nei tropici il forcing ENSO è relativamente forte e direttamente collegato alle anomalie oceaniche, mentre la circolazione alle alte latitudini è dominata da una notevole variabilità interna. Blocchi atmosferici, variazioni del jet, storm track e onde planetarie possono amplificare o attenuare le perturbazioni esterne. Un piccolo cambiamento nello stato iniziale del flusso può produrre una risposta regionale molto differente. È quindi naturale che una combinazione ENSO–QBO che risulta quasi additiva nella stratosfera o nella troposfera tropicale possa diventare progressivamente meno lineare procedendo verso l’Artico.
Questo risultato ha conseguenze importanti anche per il rapporto tra stratosfera e troposfera. Una parte della teleconnessione QBO passa attraverso la modulazione del vortice polare. Se una determinata fase della QBO favorisce un vortice più debole e se contemporaneamente ENSO modifica la propagazione delle onde planetarie troposferiche verso la stratosfera, la risultante stratosferica può successivamente influenzare il Northern Annular Mode e la circolazione troposferica. Tuttavia, la risposta discendente del vortice non è automatica. Solo alcune perturbazioni stratosferiche producono una forte impronta superficiale, e l’intensità di tale impronta dipende dallo stato della troposfera. Questo rappresenta un ulteriore meccanismo attraverso il quale la linearità può diminuire avvicinandosi alla superficie.
La Figura 1 suggerisce inoltre una considerazione importante per l’utilizzo di ENSO e QBO nella previsione stagionale. Entrambi i fenomeni possiedono una prevedibilità relativamente elevata rispetto alla normale variabilità meteorologica. ENSO è sostenuto dalla memoria dell’oceano tropicale, mentre la QBO presenta una lenta evoluzione verticale che permette di prevederne la fase con mesi di anticipo. Se la loro risposta atmosferica fosse completamente lineare, conoscere ENSO e QBO separatamente sarebbe sufficiente per ottenere una stima relativamente semplice della risposta congiunta. I risultati mostrano che questa approssimazione può funzionare piuttosto bene per alcune regioni e combinazioni, ma diventa meno affidabile proprio alle alte latitudini, dove si concentrano molte delle regioni climaticamente più sensibili dell’emisfero settentrionale.
Il caso La Niña–WQBO, con una corrispondenza particolarmente elevata fra composito congiunto e somma lineare, dimostra che in alcune configurazioni l’approccio additivo può essere molto efficace. El Niño–EQBO rappresenta invece l’estremo opposto fra i casi mostrati: la struttura generale rimane riconoscibile, ma la maggiore divergenza spaziale indica che le interazioni dinamiche diventano più importanti. El Niño–WQBO occupa una situazione intermedia ma particolarmente interessante perché l’amplificazione di alcune anomalie suggerisce che WQBO possa favorire una trasmissione più efficace della teleconnessione di El Niño, coerentemente con i risultati di Garfinkel e Hartmann sul Nord Pacifico.
Un’altra implicazione riguarda la distinzione tra risposta superficiale e processi dinamici sottostanti. Una figura basata sulla temperatura a 2 metri mostra l’esito finale di una lunga catena di processi, ma non permette da sola di identificare quale meccanismo abbia prodotto l’anomalia. Per questo la Figura 1 deve essere interpretata insieme alle successive analisi dell’altezza geopotenziale a 200 hPa e del flusso di attività ondulatoria Takaya–Nakamura. È infatti possibile che due configurazioni termiche superficiali risultino relativamente simili, mentre i treni di onde che le sostengono siano molto differenti. Viceversa, piccole differenze nella propagazione delle onde possono produrre grandi differenze termiche regionali attraverso modificazioni dell’avvezione e dei regimi di blocco.
La letteratura sulla non linearità di ENSO rafforza ulteriormente questa interpretazione. Rao e Ren hanno mostrato che la relazione fra intensità di ENSO, PNA e attività delle onde planetarie non segue una proporzione semplice. Le anomalie convettive del Pacifico centrale associate ad alcuni eventi moderati possono produrre un PNA particolarmente efficiente nell’eccitare onde planetarie verso la stratosfera, mentre eventi più intensi ma con convezione spostata più a est possono risultare meno efficaci. Questo significa che anche la risposta congiunta ENSO–QBO dipende dalla struttura specifica dell’evento ENSO considerato e non soltanto dal segno dell’indice tropicale.
Da questo punto di vista, la Figura 1 non deve essere letta come una classificazione rigida secondo cui una determinata combinazione ENSO–QBO produrrebbe inevitabilmente uno specifico pattern di temperatura. I compositi rappresentano una risposta media statistica. Ogni inverno reale è influenzato da numerosi altri fattori, comprese la fase e l’ampiezza esatta della QBO a diverse quote, il tipo di El Niño o La Niña, la variabilità del vortice polare, la Madden–Julian Oscillation, il ghiaccio marino, l’attività delle onde troposferiche e la variabilità caotica interna. La figura indica quindi una modifica delle probabilità climatiche, non una previsione deterministica del tempo stagionale.
Nel complesso, il contributo scientifico principale della Figura 1 consiste nel mostrare che il rapporto ENSO–QBO possiede contemporaneamente una forte componente lineare e una componente non lineare regionalmente concentrata. ENSO domina chiaramente la struttura termica superficiale, mentre il segnale diretto della QBO è più debole. Tuttavia, la QBO può modificare il modo in cui il segnale ENSO viene trasmesso alle medie e alte latitudini, rendendo la risposta congiunta diversa dalla semplice somma dei due compositi. Tale modulazione risulta particolarmente evidente nel Pacifico settentrionale, in alcune regioni continentali del Nord America e dell’Eurasia e, soprattutto, nell’Artico. Le configurazioni La Niña–WQBO appaiono maggiormente additive, mentre El Niño–EQBO mostra la deviazione più pronunciata dalla semplice sovrapposizione. Questo quadro è pienamente coerente con la conclusione generale di Wang et al.: la linearità prevale dalla stratosfera alla troposfera tropicale, ma perde progressivamente importanza alle alte latitudini, dove la dinamica troposferica amplifica le interazioni tra ENSO, QBO e variabilità interna.
La figura fornisce dunque una rappresentazione molto efficace di come un sistema atmosferico possa apparire quasi lineare su scala globale e contemporaneamente fortemente non lineare su scala regionale. La semplice somma ENSO + QBO riproduce una parte consistente della struttura complessiva delle anomalie, ma non è sufficiente per descrivere completamente il comportamento delle regioni in cui la circolazione è più sensibile alle modificazioni del flusso di fondo. Proprio qui risiede l’importanza dello studio: non nel dimostrare che l’atmosfera sia lineare o non lineare in senso assoluto, ma nel mostrare che il peso relativo dei due comportamenti varia con la latitudine, con la regione e con la specifica configurazione ENSO–QBO. In questa prospettiva, la Figura 1 rappresenta il primo passaggio concreto verso la comprensione del motivo per cui una risposta quasi additiva nella stratosfera possa trasformarsi, avvicinandosi alla superficie artica, in un sistema molto più sensibile alle interazioni tra teleconnessioni tropicali, onde planetarie, vortice polare e condizioni della superficie.
Figura 2 – Struttura verticale della risposta ENSO–QBO: circolazione meridionale, vento zonale e forte linearità dalla troposfera alla stratosfera
La Figura 2 costituisce uno dei risultati dinamicamente più importanti dello studio di Wang et al., poiché consente di osservare la risposta congiunta di ENSO e della Quasi-Biennial Oscillation non più soltanto attraverso una variabile superficiale, come la temperatura a 2 metri analizzata nella Figura 1, ma attraverso la struttura verticale della circolazione atmosferica dalla troposfera inferiore fino alla stratosfera superiore. La figura mostra infatti le anomalie medie invernali, riferite al trimestre dicembre–febbraio, del vento zonale e della circolazione meridionale–verticale, mediate longitudinalmente sul settore dell’Asia orientale compreso tra 73°E e 150°E. Questa scelta geografica permette di esaminare un settore particolarmente importante per l’interazione tra tropici ed extratropici, nel quale la circolazione asiatica, il jet subtropicale, la propagazione delle onde planetarie e la risposta stratosferica possono concorrere a trasmettere verso nord l’influenza delle principali modalità tropicali di variabilità. L’aspetto più evidente della figura è la straordinaria somiglianza tra le configurazioni ENSO–QBO realmente simulate nei pannelli centrali e quelle ricostruite mediante la semplice somma dei segnali individuali nei pannelli inferiori. I coefficienti di correlazione spaziale, compresi tra 0,995 e 0,998, indicano una corrispondenza quasi perfetta e costituiscono una delle prove più forti fornite dagli autori a sostegno della predominanza della linearità nella risposta atmosferica su grande scala. Questo risultato si inserisce direttamente nella conclusione generale del lavoro: la risposta combinata ENSO–QBO rimane quasi additiva nella stratosfera e nella troposfera tropicale, mentre la componente non lineare cresce soprattutto quando si passa alla circolazione troposferica regionale delle alte latitudini.
Dal punto di vista grafico, l’asse orizzontale rappresenta la latitudine, dall’equatore fino al Polo Nord, mentre l’asse verticale utilizza la pressione atmosferica, da 1000 hPa vicino alla superficie fino a 5 hPa nella stratosfera superiore. Le aree colorate indicano le anomalie del vento zonale: le tonalità rosse corrispondono ad anomalie positive, ossia a una componente del vento maggiormente occidentale rispetto alla climatologia, mentre le tonalità blu rappresentano anomalie negative, interpretabili come un indebolimento dei venti occidentali o un rafforzamento relativo della componente orientale. I vettori mostrano invece le anomalie della circolazione nel piano meridionale–verticale. La componente orizzontale è data dal vento meridionale, mentre quella verticale deriva dalla velocità verticale espressa in coordinate di pressione. Per renderla visibile, gli autori hanno invertito il segno di omega e ne hanno moltiplicato graficamente l’ampiezza per 100. Questo dettaglio metodologico è essenziale: l’inclinazione dei vettori permette di visualizzare qualitativamente la struttura della circolazione, ma la componente verticale non deve essere confrontata quantitativamente con quella meridionale osservandone semplicemente la lunghezza, perché è stata artificialmente amplificata. I vettori rossi identificano le anomalie meridionali statisticamente significative al 95%, mentre la significatività delle anomalie zonali viene indicata dall’ombreggiatura prevista dagli autori.
Un’ulteriore precisazione è scientificamente importante. La circolazione raffigurata non coincide automaticamente con la circolazione residua trasformata utilizzata negli studi classici sulla Brewer–Dobson circulation. I vettori derivano infatti direttamente dal vento meridionale e dalla velocità verticale nel settore longitudinale dell’Asia orientale. La Brewer–Dobson circulation viene normalmente diagnosticata attraverso il formalismo Transformed Eulerian Mean o mediante metodi lagrangiani e include implicitamente l’effetto del trasporto ondulatorio. È quindi più corretto parlare, nel caso della Figura 2, di anomalie della circolazione meridionale–verticale. Tuttavia, le strutture mostrate sono dinamicamente legate ai processi di overturning stratosferico che partecipano anche alla Brewer–Dobson circulation. Questa distinzione evita di identificare meccanicamente i vettori della figura con la BDC, pur permettendo di interpretarne le caratteristiche alla luce della letteratura sulla circolazione stratosferica.
I pannelli (a) e (b) isolano rispettivamente la risposta associata a El Niño e La Niña dopo aver rimosso statisticamente il segnale della QBO. Una prima caratteristica evidente è che ENSO produce anomalie della circolazione che attraversano buona parte della troposfera tropicale e subtropicale e si estendono, con minore intensità, nella stratosfera extratropicale. Questo comportamento è coerente con la natura stessa della teleconnessione ENSO. Le anomalie delle temperature superficiali marine del Pacifico tropicale modificano la convezione profonda e il riscaldamento diabatico, alterando la circolazione tropicale e subtropicale, il jet e le sorgenti delle onde di Rossby. Queste perturbazioni possono propagarsi orizzontalmente nella troposfera e verticalmente verso la stratosfera, dove la loro dissipazione modifica il flusso medio e il vortice polare. Rao et al., analizzando diverse rianalisi insieme a CESM1-WACCM, hanno mostrato che durante gli inverni El Niño la branca profonda della Brewer–Dobson circulation tende a intensificarsi perché una maggiore quantità di attività ondulatoria proveniente dalla troposfera viene dissipata nella regione del vortice polare stratosferico.
Nel pannello di El Niño si riconosce quindi una risposta che, pur non essendo dominata da anomalie zonali di grande ampiezza come nel caso della QBO, interessa un’ampia profondità verticale. L’effetto di ENSO sul vortice polare boreale è stato documentato da numerosi studi osservativi e modellistici. In media, gli inverni El Niño sono associati a una maggiore perturbazione della stratosfera polare, a temperature polari più elevate e a venti occidentali più deboli rispetto alla climatologia. Il meccanismo coinvolge soprattutto una modificazione della propagazione delle onde planetarie dalle medie latitudini verso la stratosfera. Quando tali onde depositano quantità di moto nella stratosfera, il flusso zonale occidentale viene decelerato e la risposta dinamica è accompagnata da cambiamenti della circolazione meridionale e da subsidenza alle alte latitudini. Quest’ultima favorisce un riscaldamento adiabatico della regione polare, legando quindi la risposta del vento a quella termica.
La Niña tende a generare una risposta di segno opposto, ma la figura conferma ancora una volta che la simmetria fra le due fasi di ENSO non è perfetta. La posizione della convezione tropicale, la geometria del jet subtropicale e l’interferenza con le onde climatologiche fanno sì che la risposta di La Niña non sia semplicemente l’inversione matematica di quella di El Niño. Tale asimmetria è importante perché determina uno stato di fondo differente nel quale successivamente opera la QBO. Di conseguenza, anche qualora la sovrapposizione finale dei segnali risultasse quasi lineare, i singoli percorsi attraverso cui ENSO caldo e freddo influenzano la circolazione possono rimanere differenti.
La firma della QBO nei pannelli (c) e (d) è molto più netta, soprattutto nella stratosfera tropicale. Durante EQBO compare una pronunciata anomalia negativa del vento zonale nella bassa stratosfera equatoriale, centrata approssimativamente intorno a 50 hPa, mentre al di sopra emerge una fascia di anomalie positive. Nel caso WQBO la struttura cambia sostanzialmente segno. Questa alternanza verticale è la manifestazione tipica della QBO: bande di venti orientali e occidentali si formano nella stratosfera tropicale e discendono lentamente verso la tropopausa, con una periodicità media vicina ai 28 mesi. La QBO non deve pertanto essere immaginata come un’intera colonna stratosferica simultaneamente orientale o occidentale. La sua struttura è caratterizzata da massimi di vento di segno opposto sovrapposti verticalmente e da zone di forte shear che migrano verso il basso.
Questa struttura verticale è direttamente collegata alla dinamica ondulatoria che mantiene la QBO. Onde equatoriali di diversa natura trasportano quantità di moto verso l’alto e la depositano a quote differenti in funzione della relazione tra la propria velocità di fase e il vento di fondo. Il filtraggio selettivo delle onde produce così accelerazioni alternate verso est e verso ovest. La circolazione meridionale–verticale secondaria associata alla QBO è necessaria a mantenere l’equilibrio termico e dinamico prodotto da tali accelerazioni. Proprio per questo i pannelli (c) e (d) mostrano, oltre ai massimi del vento zonale, celle di circolazione distribuite fra tropici e subtropici.
Rao et al. hanno documentato molto chiaramente questo comportamento nelle rianalisi. In corrispondenza di una QBO orientale centrata attorno a 50 hPa compare una circolazione secondaria associata a moti ascendenti e raffreddamento nei tropici e a moti discendenti e riscaldamento alle medie latitudini. Ulteriori celle analoghe possono formarsi tra circa 50 e 10 hPa e più in alto, accompagnando l’alternanza verticale dei regimi QBO. Gli stessi autori hanno mostrato che la risposta della circolazione stratosferica alla QBO può modificare anche le condizioni di propagazione delle onde planetarie verso le medie latitudini e contribuire alla modulazione del vortice polare.
È proprio nelle alte latitudini che i pannelli QBO acquisiscono un significato particolarmente importante. Durante EQBO compare un’estesa anomalia negativa del vento zonale nella stratosfera settentrionale, mentre durante WQBO compare una risposta prevalentemente positiva. Questo è il corrispettivo verticale del classico effetto Holton–Tan: durante gli inverni con QBO orientale nella bassa stratosfera tropicale, il vortice polare boreale tende statisticamente a essere più debole, mentre durante la QBO occidentale tende a risultare più intenso. La relazione, identificata originariamente da Holton e Tan all’inizio degli anni Ottanta, è oggi supportata da osservazioni e da molti modelli stratosfera-risolventi, pur con differenze nell’intensità della risposta.
Gli esperimenti coordinati della QBO Initiative costituiscono una verifica moderna particolarmente importante di questo meccanismo. Anstey et al. hanno confrontato numerosi modelli capaci di simulare la QBO e hanno mostrato che nella maggior parte di essi il vortice polare boreale invernale si rafforza quando la QBO nei pressi di 50 hPa è occidentale e si indebolisce quando è orientale. La risposta modellistica tende tuttavia a essere più debole rispetto alle osservazioni, probabilmente anche perché diversi modelli sottostimano l’ampiezza della QBO nella bassa stratosfera. Questa evidenza è importante per la Figura 2, perché i tre modelli selezionati da Wang et al. — ACCESS-CM2, HadGEM3-GC31-LL e UKESM1-0-LL — sono stati scelti proprio per la loro capacità relativamente elevata di riprodurre le teleconnessioni ENSO e QBO. Il fatto che la struttura Holton–Tan emerga chiaramente nei compositi conferma quindi che l’ensemble utilizzato possiede una dinamica stratosferica sufficientemente realistica per affrontare il problema della linearità.
Il meccanismo di Holton–Tan non dipende però da un solo processo. La spiegazione classica attribuisce grande importanza alla modificazione della linea di vento nullo e dell’indice di rifrazione delle onde planetarie. Cambiando la struttura meridionale dei venti stratosferici, la QBO modifica i percorsi preferenziali delle onde di Rossby e la quantità di attività ondulatoria che può raggiungere la regione polare. Studi successivi hanno mostrato che intervengono anche la circolazione meridionale secondaria della QBO, variazioni del wave breaking e modificazioni dell’attività ondulatoria generata all’interno o ai margini del vortice. Lu et al., per esempio, hanno evidenziato come la variabilità dell’attività ondulatoria intrinseca al vortice possa interferire con la modulazione QBO della propagazione planetaria, contribuendo alle variazioni decadali della forza dell’effetto Holton–Tan. La recente revisione sui Sudden Stratospheric Warmings sottolinea a sua volta che sono stati proposti diversi meccanismi complementari e che la loro importanza relativa non è ancora completamente risolta.
Questa complessità rende ancora più notevole il risultato dei pannelli congiunti della Figura 2. Nei pannelli (e–h), le configurazioni El Niño–EQBO, El Niño–WQBO, La Niña–EQBO e La Niña–WQBO sono confrontate con le rispettive somme lineari riportate nei pannelli (i–l). Nonostante ENSO e QBO modifichino entrambe la propagazione delle onde planetarie, il vortice polare e la circolazione meridionale, la risposta risultante è quasi indistinguibile da quella ottenuta sommando i due contributi puri. I coefficienti di correlazione spaziale sono 0,995 per El Niño–EQBO, 0,995 per El Niño–WQBO, 0,998 per La Niña–EQBO e 0,997 per La Niña–WQBO. Valori di questa grandezza implicano che la componente non additiva della struttura spaziale rappresentata nella figura è molto piccola rispetto al segnale totale.
Il caso El Niño–EQBO è particolarmente significativo perché, sulla base della letteratura precedente, rappresentava proprio una delle combinazioni per le quali ci si sarebbe potuti attendere una forte non linearità. Considerati individualmente, sia El Niño sia EQBO tendono mediamente a favorire un vortice polare più debole. El Niño aumenta spesso il forcing ondulatorio troposferico verso la stratosfera, mentre EQBO modifica il flusso stratosferico in modo da favorire una risposta Holton–Tan caratterizzata da venti occidentali polari più deboli. Un’ipotesi intuitiva sarebbe quindi quella di un’amplificazione reciproca fortemente non lineare. La Figura 2 mostra invece che, nella struttura meridionale–verticale media, l’effetto congiunto assomiglia quasi esattamente alla somma dei due effetti isolati.
Questo risultato è particolarmente interessante alla luce del lavoro di Calvo et al. del 2009. Utilizzando MAECHAM5 e un forte evento El Niño, gli autori avevano mostrato che la fase della QBO poteva modificare in maniera sostanziale la tempistica della risposta stratosferica a ENSO. WQBO tendeva a ritardare l’insorgenza del segnale El Niño, mentre EQBO ne favoriva un’apparizione più precoce; inoltre, per alcune fasi dell’inverno, la combinazione El Niño–EQBO mostrava un comportamento non additivo del vortice polare. Gli autori attribuivano questa non linearità alla combinazione tra cambiamenti del flusso di fondo prodotti dalla QBO e variazioni della propagazione e dissipazione delle onde extratropicali indotte da ENSO.
La differenza rispetto ai risultati di Wang et al. non implica necessariamente un’incompatibilità. Calvo et al. analizzavano un esperimento specifico, costruito intorno al fortissimo El Niño 1997/98 e a fasi QBO marcate, prestando particolare attenzione all’evoluzione temporale da inizio a fine inverno. Wang et al. utilizzano invece compositi climatologici e valutano la struttura invernale media di più eventi e modelli, dopo aver cercato di separare statisticamente i segnali puri. Una risposta può quindi presentare importanti non linearità nella tempistica o durante singoli mesi e risultare comunque quasi additiva quando viene mediata sull’intero trimestre DJF. Questo punto è cruciale: la linearità mostrata dalla Figura 2 riguarda principalmente la struttura composita stagionale, non dimostra che ogni processo istantaneo ENSO–QBO sia lineare.
Il lavoro precedente degli stessi Wang et al. aiuta a chiarire la questione. Utilizzando osservazioni, rianalisi e successivamente 18 modelli CMIP5/6 in grado di produrre una QBO, gli autori avevano già mostrato che il vortice polare stratosferico associato alle configurazioni ENSO–QBO può essere ricostruito in larga misura mediante la somma dei segnali individuali. El Niño ed EQBO cooperano mediamente nell’indebolire e riscaldare il vortice; La Niña e WQBO cooperano nel rafforzarlo e raffreddarlo; nelle combinazioni El Niño–WQBO e La Niña–EQBO, dove le due forzanti tendono a esercitare effetti opposti, la fase QBO può diventare particolarmente importante nel determinare il segno della risposta stratosferica. La Figura 2 estende in pratica questo concetto alla struttura meridionale–verticale completa della circolazione, dimostrando che non soltanto l’anomalia del vortice, ma anche gran parte del campo di vento zonale e della circolazione associata conserva un comportamento fortemente additivo.
Il pannello El Niño–EQBO mostra molto bene questa cooperazione. Nella bassa stratosfera tropicale permane il nucleo orientale caratteristico di EQBO, mentre nella stratosfera superiore compare il regime di segno opposto. Alle alte latitudini si osserva contemporaneamente un’estesa anomalia negativa del vento zonale, coerente con un vortice indebolito. Il pannello ottenuto sommando semplicemente El Niño ed EQBO presenta quasi la stessa struttura. Ciò significa che, almeno nella media invernale dell’ensemble e nel settore longitudinale analizzato, l’anomalia associata a El Niño viene in gran parte aggiunta a quella della QBO senza una profonda riorganizzazione del pattern verticale.
Il caso El Niño–WQBO è altrettanto istruttivo ma per la ragione opposta. Qui le due influenze sul vortice polare tendono parzialmente a contrastarsi. El Niño favorisce mediamente una maggiore perturbazione e un indebolimento del vortice, mentre WQBO tende a sostenere una configurazione stratosferica con venti occidentali più forti. La risposta congiunta rappresenta quindi una compensazione fra i due segnali. Il fatto che il pannello osservato e quello ricostruito siano quasi identici suggerisce che questa compensazione avvenga in maniera prevalentemente lineare.
Ciò non significa che la QBO occidentale sia passiva nei confronti della teleconnessione ENSO. Garfinkel e Hartmann hanno mostrato che la risposta extratropicale di El Niño nel Nord Pacifico può essere sensibilmente più forte durante WQBO che durante EQBO, a causa delle modificazioni dei venti subtropicali e delle condizioni di propagazione delle onde di Rossby. Questa non linearità è soprattutto troposferica e regionale, mentre la Figura 2 rappresenta una sezione verticale mediata su un ampio settore dell’Asia. Le due conclusioni possono quindi coesistere: localmente e nei treni d’onda troposferici possono emergere significative interazioni non lineari, mentre la struttura verticale media della circolazione conserva una forte additività.
La configurazione La Niña–EQBO, con r = 0,998, rappresenta il caso di massima corrispondenza fra risposta congiunta e somma lineare. Anche qui i due segnali tendono in parte a opporsi nella stratosfera polare: La Niña è climatologicamente associata a un vortice relativamente più forte, mentre EQBO tende a indebolirlo. Il risultato è una risposta extratropicale meno estrema di quella che compare quando ENSO e QBO agiscono nella stessa direzione. La quasi perfetta corrispondenza con la somma lineare suggerisce che la compensazione avvenga senza generare una nuova struttura dominante.
Nel caso La Niña–WQBO, invece, i due contributi cooperano nel senso opposto a El Niño–EQBO. La Niña tende a ridurre il forcing ondulatorio stratosferico rispetto a El Niño, mentre WQBO è associata a un vortice polare più intenso. Di conseguenza, la stratosfera extratropicale presenta anomalie positive del vento zonale relativamente estese, indicative di un rafforzamento della componente occidentale. Anche qui la configurazione effettivamente simulata è praticamente sovrapponibile alla somma dei due segnali isolati.
L’aspetto forse più importante della Figura 2 emerge quando questa viene confrontata con la Figura 1. Nella temperatura a 2 metri i coefficienti di correlazione tra risposta congiunta e somma lineare erano compresi approssimativamente tra 0,68 e 0,89, con differenze regionali evidenti, soprattutto nell’Artico. Nella Figura 2, invece, essi superano 0,99 in tutti i casi. Si osserva quindi una chiara separazione fra la struttura verticale della circolazione atmosferica su grande scala, quasi perfettamente lineare, e la risposta termica regionale prossima alla superficie, molto più sensibile alla non linearità.
Tale contrasto fornisce una chiave fisica per interpretare l’intero studio. La stratosfera è dominata da dinamiche relativamente organizzate su grande scala: vento zonale equatoriale della QBO, vortice polare, onde planetarie e circolazione meridionale. Sebbene le interazioni tra questi elementi siano intrinsecamente non lineari, il loro effetto medio può risultare quasi additivo quando viene calcolato su molti eventi. La troposfera inferiore e la superficie sono invece caratterizzate da una maggiore complessità regionale. Storm track, cicloni, anticicloni, blocchi atmosferici, feedback tra eddies e getto, orografia, neve, ghiaccio marino e proprietà termiche della superficie possono amplificare piccole differenze iniziali della circolazione.
Ne deriva che una differenza quasi impercettibile nella risposta della stratosfera può produrre una divergenza molto più ampia alla superficie. Questo principio è coerente con la letteratura sull’accoppiamento stratosfera–troposfera, secondo cui la risposta superficiale a una stessa perturbazione del vortice non è sempre identica e dipende dallo stato della troposfera. La relazione tra vortice polare e Northern Annular Mode superficiale è infatti probabilistica e non deterministica. La stratosfera può fornire una forzante persistente, ma la troposfera decide in larga misura quanto e dove tale segnale venga amplificato.
La Figura 2 suggerisce quindi che la crescente non linearità identificata da Wang et al. procedendo dalla stratosfera alla superficie non debba essere interpretata come una improvvisa scomparsa dell’additività a una determinata quota. Si tratta piuttosto di una trasformazione progressiva. La componente lineare rimane dominante nella struttura su grande scala, ma la componente non lineare acquista importanza mano a mano che il segnale interagisce con processi regionali più complessi. Lo studio del 2026 riassume precisamente questo comportamento: la linearità prevale nella stratosfera e nella troposfera tropicale, diminuisce lievemente procedendo verso il basso e lascia spazio a una componente non lineare molto più rilevante nella troposfera artica.
Da questo punto di vista, i valori di correlazione quasi unitari della Figura 2 non devono essere confusi con una dimostrazione della linearità fondamentale del sistema atmosferico. Le equazioni che descrivono la dinamica dell’atmosfera contengono numerosi termini non lineari; la propagazione delle onde, il wave breaking e l’interazione tra eddies e flusso medio sono intrinsecamente dipendenti dallo stato della circolazione. Ciò che emerge dalla figura è piuttosto una linearità climatologica emergente: dopo aver mediato molti eventi e isolato statisticamente i segnali ENSO e QBO, la parte dominante della risposta composita appare equivalente alla loro somma.
Questa distinzione permette anche di riconciliare la Figura 2 con studi che hanno trovato non linearità ENSO–QBO molto più marcate. Calvo et al. hanno mostrato che la tempistica della risposta del vortice a El Niño dipende dalla fase QBO e che in alcuni periodi dell’inverno El Niño ed EQBO non producono una semplice risposta additiva. Garfinkel e Hartmann hanno dimostrato che la teleconnessione nord-pacifica di El Niño può essere modulata dalla QBO attraverso cambiamenti della propagazione ondulatoria. Questi risultati riguardano aspetti temporali o regionali specifici, mentre Wang et al. analizzano il comportamento climatologico medio dell’intera struttura verticale. Il sistema può quindi essere quasi lineare nel campo medio stagionale e contemporaneamente mostrare non linearità significative in determinate regioni, fasi temporali o processi dinamici.
Anche l’uso dei tre modelli CMIP6 selezionati rafforza questa interpretazione. Lo studio del 2024 di Wang et al. aveva inizialmente valutato 18 modelli CMIP5 e CMIP6 capaci di produrre una QBO, selezionando quelli dotati della migliore capacità di rappresentare le teleconnessioni di ENSO e QBO. In tale insieme ad alta prestazione, le quattro configurazioni ENSO–QBO producevano risposte stratosferiche quasi identiche alla somma dei segnali puri. La Figura 2 utilizza ACCESS-CM2, HadGEM3-GC31-LL e UKESM1-0-LL proprio per verificare se questa caratteristica continui a emergere anche nella struttura meridionale–verticale. La risposta è chiaramente positiva.
Il valore di questa selezione modellistica è particolarmente importante per la QBO. Anstey et al. hanno mostrato che la qualità della teleconnessione QBO–vortice dipende dalla capacità dei modelli di rappresentare correttamente l’ampiezza dei venti equatoriali nella bassa stratosfera; modelli con una QBO troppo debole tendono a sottostimare l’effetto Holton–Tan. Utilizzare modelli con una buona struttura verticale riduce quindi il rischio che la presunta linearità sia semplicemente il risultato di una QBO mal rappresentata.
La circolazione meridionale mostrata dai vettori offre un’ulteriore prospettiva. Nelle configurazioni QBO le anomalie equatoriali del vento zonale sono accompagnate da celle che collegano tropici e subtropici attraverso moti verticali e meridionali. Questa circolazione è coerente con l’aggiustamento necessario a mantenere l’equilibrio termico associato allo shear QBO. Durante El Niño, invece, le anomalie troposferiche e stratosferiche della circolazione riflettono anche la modificazione della convezione tropicale e del forcing ondulatorio. La somiglianza tra i vettori dei pannelli congiunti e quelli delle somme lineari suggerisce quindi che l’additività non riguarda soltanto il vento zonale, ma coinvolge anche l’overturning dinamico associato ai due fenomeni.
La letteratura sulla Brewer–Dobson circulation fornisce un contesto utile. Rao et al. hanno mostrato che ENSO e QBO producono firme ben distinte nella circolazione residua: El Niño tende a intensificare la branca profonda attraverso l’aumento della dissipazione delle onde nella stratosfera polare, mentre la QBO genera celle secondarie fortemente collegate alla sua struttura verticale equatoriale. Se due sorgenti di variabilità producono risposte differenti ma relativamente separabili nella circolazione, è plausibile che la loro combinazione possa mantenere un elevato grado di additività quando osservata su scala stagionale.
Questo non riduce l’importanza delle interazioni onda–flusso medio. Al contrario, la propagazione ondulatoria rappresenta il collegamento fisico centrale tra tropici e vortice. ENSO modifica la sorgente e la distribuzione delle onde troposferiche; la QBO modifica l’ambiente attraverso il quale parte di esse si propaga; il vortice polare risponde alla convergenza del flusso di attività ondulatoria. In presenza di più forzanti, la risposta potrebbe teoricamente diventare fortemente non lineare. Il risultato di Wang et al. mostra però che, almeno nelle medie stagionali e nei modelli selezionati, la somma delle variazioni di primo ordine domina sui termini di interazione.
Questa conclusione ha anche implicazioni importanti per la prevedibilità stagionale. ENSO e QBO sono due delle principali sorgenti di prevedibilità a diversi mesi di anticipo. ENSO possiede una significativa memoria grazie all’accoppiamento con l’oceano tropicale, mentre la QBO evolve lentamente e può essere prevista con notevole anticipo nella stratosfera. Se il loro effetto congiunto sulla circolazione stratosferica fosse fortemente non lineare, conoscere separatamente lo stato di ENSO e della QBO sarebbe insufficiente per dedurre lo stato del vortice. La Figura 2 suggerisce invece che, almeno per la struttura invernale media su grande scala, una parte molto elevata della risposta può essere ricostruita combinando i due segnali separati.
Questa prospettiva non deve tuttavia essere estesa automaticamente alle condizioni meteorologiche regionali. La Figura 1 ha già mostrato che la linearità diminuisce sensibilmente vicino alla superficie; lo stesso studio evidenzia che alle alte latitudini troposferiche la componente non lineare può dominare e che, soprattutto nelle configurazioni El Niño–EQBO, il segnale ENSO può prevalere sul contributo QBO. Si può quindi conoscere con una certa affidabilità la tendenza media della risposta stratosferica senza poter dedurre in modo deterministico la temperatura invernale dell’Europa, la fase della NAO o la frequenza di specifici regimi di blocco.
La Figura 2 rappresenta dunque un punto di passaggio fondamentale fra la comprensione della dinamica stratosferica e quella della risposta troposferica. Essa mostra che la forte linearità già identificata dai precedenti lavori degli autori non è limitata a un singolo indice del vortice polare, ma interessa l’intera struttura verticale del vento zonale e una parte sostanziale della circolazione meridionale associata. El Niño ed EQBO cooperano principalmente nell’indebolimento della circolazione occidentale polare; La Niña e WQBO cooperano nella direzione opposta; El Niño–WQBO e La Niña–EQBO producono compensazioni. In tutti e quattro i casi, tuttavia, il risultato reale è praticamente identico alla somma dei segnali individuali.
Il significato più profondo della figura risiede proprio in questo contrasto fra una dinamica fisicamente complessa e una risposta climatologica sorprendentemente semplice. ENSO nasce dall’accoppiamento oceano–atmosfera tropicale, la QBO dall’interazione tra onde equatoriali e flusso medio stratosferico; entrambi influenzano il vortice attraverso percorsi differenti, la propagazione ondulatoria è non lineare e il vortice stesso è un sistema altamente variabile. Nonostante ciò, quando il problema viene osservato attraverso la media invernale e su una scala sufficientemente ampia, i contributi ENSO e QBO rimangono quasi perfettamente separabili e additivi.
È precisamente questa proprietà a rendere la Figura 2 così rilevante per l’interpretazione generale dello studio. Essa dimostra che la non linearità osservata successivamente nella troposfera artica non sembra derivare principalmente da una forte interazione ENSO–QBO già presente nella struttura stratosferica media. Piuttosto, una risposta largamente lineare viene progressivamente trasformata mentre si avvicina alla troposfera inferiore, dove entrano in gioco la dinamica regionale, le onde sinottiche, i jet, i blocchi atmosferici e i feedback della superficie. La stratosfera conserva quindi una memoria relativamente ordinata e additiva delle due forzanti tropicali; la troposfera, soprattutto alle alte latitudini, rielabora tale informazione in maniera molto più complessa.
In definitiva, la Figura 2 fornisce una rappresentazione particolarmente convincente dell’idea centrale avanzata da Wang et al.: ENSO e QBO sono fenomeni fisicamente distinti e capaci di interagire, ma la loro risposta composita nella circolazione atmosferica verticale invernale è dominata dai contributi lineari. I coefficienti compresi fra 0,995 e 0,998 mostrano che la struttura congiunta è praticamente ricostruibile attraverso la somma dei segnali puri. Questo risultato è coerente con i precedenti studi degli stessi autori sulla linearità del vortice polare , con le conoscenze sulla risposta della Brewer–Dobson circulation a ENSO e QBO e con la robusta evidenza multimodello dell’effetto Holton–Tan . Allo stesso tempo, non invalida le non linearità documentate da Calvo et al. o Garfinkel e Hartmann, ma le colloca in una prospettiva più precisa: tali interazioni possono essere importanti nella tempistica, nella propagazione ondulatoria e nelle risposte regionali, pur rappresentando una frazione relativamente piccola della struttura climatologica verticale complessiva. La Figura 2 diventa così la dimostrazione dinamica del passaggio da una stratosfera in cui ENSO e QBO si combinano quasi linearmente a una troposfera in cui la crescente complessità del sistema trasforma progressivamente questa semplice additività in una risposta regionale molto più articolata.
3.2. Circolazione meridionale dell’Asia orientale
La circolazione meridionale dell’Asia orientale rappresenta uno dei nodi dinamici più importanti attraverso i quali le perturbazioni tropicali possono essere trasferite verso le medie e alte latitudini dell’emisfero settentrionale. Nel contesto dello studio di Wang et al., l’analisi della sezione verticale compresa tra 73°E e 150°E consente di valutare simultaneamente la risposta della troposfera, della regione dell’alta troposfera–bassa stratosfera e della stratosfera alle diverse fasi di El Niño–Southern Oscillation e della Quasi-Biennial Oscillation. Il risultato principale è che, nonostante ENSO e QBO abbiano origini fisiche molto differenti e influenzino la circolazione attraverso meccanismi distinti, gran parte della struttura meridionale–verticale associata alla loro azione congiunta può essere interpretata come una sovrapposizione dei segnali individuali. Tale linearità è particolarmente evidente alle medie latitudini e nella stratosfera, mentre alcune deviazioni più consistenti emergono nella troposfera tropicale, soprattutto nella combinazione El Niño–EQBO. Questo comportamento è coerente con la conclusione generale dello studio, secondo cui la linearità domina nella stratosfera e rimane importante nella troposfera tropicale e subtropicale, mentre la componente non lineare aumenta procedendo verso la troposfera extratropicale e, soprattutto, verso le alte latitudini.
L’Asia orientale costituisce un settore particolarmente adatto per analizzare questa transizione perché durante l’inverno boreale ospita uno dei sistemi di corrente a getto più intensi dell’intero emisfero. L’East Asian jet si estende dall’Asia continentale verso il Pacifico nordoccidentale e costituisce una componente fondamentale della circolazione monsonica invernale asiatica. La sua variabilità dipende sia dalla circolazione meridionale tropicale e subtropicale sia dalle perturbazioni barocline delle medie latitudini. Studi dedicati alla dinamica del jet hanno mostrato che nella sua regione occidentale, approssimativamente tra l’Asia meridionale e la Cina orientale, il getto presenta caratteristiche fortemente associate alla circolazione meridionale locale di tipo Hadley, mentre più a est, sul Pacifico nordoccidentale, acquista una componente maggiormente controllata dall’attività degli eddies e dalla dinamica del jet delle medie latitudini. La circolazione meridionale può quindi trasportare quantità di moto dall’alta troposfera tropicale verso la fascia subtropicale e contribuire direttamente alle variazioni dell’intensità del jet dell’Asia orientale.
Questa caratteristica rende particolarmente significativa la risposta osservata durante El Niño. Nel composito ENSO caldo mostrato dagli autori compare nella troposfera tropicale una circolazione anomala antioraria, caratterizzata da subsidenza anomala nei pressi dell’equatore e da ascendenza anomala intorno a 30°N. Al tempo stesso, nelle medie latitudini della troposfera e della stratosfera prevalgono anomalie di vento proveniente da nord. Si tratta di una riorganizzazione meridionale della circolazione che riflette il trasferimento verso l’Asia orientale delle profonde modificazioni termodinamiche e dinamiche prodotte dal riscaldamento del Pacifico equatoriale. El Niño modifica infatti la posizione della convezione tropicale, la distribuzione del riscaldamento latente e la divergenza nell’alta troposfera. Tali anomalie perturbano la circolazione di Walker e le celle meridionali regionali e, attraverso l’eccitazione di onde di Rossby, influenzano anche la struttura dei getti subtropicali ed extratropicali.
È importante sottolineare che la circolazione meridionale dell’Asia orientale non coincide semplicemente con la cella di Hadley zonalmente media. Si tratta piuttosto di una circolazione regionale fortemente condizionata dalla distribuzione longitudinale della convezione tropicale, dall’orografia asiatica, dal continente eurasiatico, dall’Oceano Indiano, dal Pacifico occidentale e dalla posizione del jet. Nel settore a monte dell’East Asian jet, studi dinamici hanno identificato celle locali di tipo Hadley nelle quali il moto ascendente tropicale è collegato a flussi meridionali nell’alta troposfera e a subsidenza alle latitudini subtropicali e medio-basse. Queste celle possono trasportare momento zonale verso le latitudini del jet e rappresentano un contributo di primo ordine alla sua intensificazione interannuale. Di conseguenza, un’anomalia ENSO in grado di riorganizzare la convezione tropicale può modificare non soltanto le precipitazioni tropicali, ma l’intera struttura meridionale dell’alta troposfera asiatica.
La risposta di El Niño individuata da Wang et al., con subsidenza anomala equatoriale e ascendenza più a nord, deve quindi essere interpretata come parte di una riorganizzazione regionale della circolazione meridionale piuttosto che come una semplice intensificazione o indebolimento uniforme della circolazione climatologica. La posizione delle anomalie verticali è importante perché determina il trasporto di calore, umidità e quantità di moto attraverso le regioni subtropicali. Un’anomalia ascendente intorno a 30°N può modificare il gradiente termico meridionale nell’alta troposfera e quindi, attraverso il bilancio del vento termico, influire sul jet occidentale. Analogamente, anomalie meridionali nella troposfera superiore possono trasferire quantità di moto attraverso la fascia subtropicale e alterare il collegamento tra circolazione tropicale e getto dell’Asia orientale.
Recenti analisi dell’East Asian jet confermano la forte sensibilità di questa struttura a ENSO. Uno studio basato su ERA5 ha mostrato che la temperatura superficiale del Niño3.4 costituisce uno dei principali fattori associati alla variabilità interannuale dello spostamento meridionale dei due grandi rami del getto invernale dell’Asia orientale, il subtropical jet e il polar-front jet. In quella analisi, la variabilità ENSO spiegava una quota particolarmente rilevante della variabilità interannuale della modalità dominante del vento zonale sull’Asia orientale. Ciò rafforza l’interpretazione secondo cui la riorganizzazione meridionale osservata nello studio di Wang et al. rappresenta una componente dinamica fondamentale attraverso la quale le anomalie del Pacifico tropicale influenzano la circolazione asiatica invernale.
Anche la risposta idrologica dell’Asia orientale conferma l’importanza della struttura verticale della circolazione. Studi recenti hanno mostrato che durante El Niño può svilupparsi nell’alta troposfera un’anomalia ciclonica quasi barotropica sull’Asia orientale, con massima intensità tra circa 150 e 200 hPa. Sul suo lato orientale, anomalie meridionali favoriscono l’avvezione di aria più calda lungo la costa dell’Asia orientale e contribuiscono ad aumentare i moti ascendenti, con conseguenze sulla precipitazione invernale della Cina meridionale e delle regioni limitrofe. Sebbene tale studio affronti un problema differente, esso evidenzia come relativamente piccole modificazioni della componente meridionale nell’alta troposfera possano tradursi in importanti conseguenze regionali vicino alla superficie.
La Niña mostra invece una risposta solo parzialmente speculare. Nel composito presentato da Wang et al., le anomalie meridionali alle medie latitudini risultano più deboli rispetto a El Niño, mentre alle alte latitudini le anomalie settentrionali sono più intense. Anche i centri delle anomalie del vento zonale nella stratosfera extratropicale non riproducono semplicemente il segno opposto della configurazione El Niño. Questa asimmetria è perfettamente coerente con le caratteristiche generali di ENSO. El Niño e La Niña non rappresentano infatti due perturbazioni identiche di segno contrario: la posizione della convezione tropicale, l’estensione delle anomalie oceaniche, la risposta della Walker circulation e la collocazione delle sorgenti di onde di Rossby differiscono tra le due fasi. Ne deriva che anche la risposta dei jet, delle celle meridionali regionali e della propagazione ondulatoria extratropicale non è obbligata a essere simmetrica.
La sensibilità della circolazione asiatica allo stato tropicale è stata recentemente documentata anche da studi sulla circolazione di Hadley regionale nel dominio monsonico asiatico. Un’analisi pubblicata nel 2025 ha evidenziato che ENSO può interagire con l’East Asian winter monsoon e produrre modificazioni della circolazione meridionale regionale non riconducibili a una semplice risposta lineare ai singoli fattori. In particolare, la contemporanea presenza di El Niño e di un debole monsone invernale dell’Asia orientale è risultata associata a un significativo indebolimento della circolazione di Hadley regionale, mediato da variazioni del gradiente meridionale delle SST nel Pacifico settentrionale, della baroclinicità e della stabilità atmosferica. Questo lavoro, pur riguardando l’interazione ENSO–monsone e non ENSO–QBO, dimostra un principio generale rilevante per Wang et al.: la circolazione meridionale asiatica è un sistema altamente sensibile allo stato di fondo e può trasformare o amplificare la combinazione di più forzanti climatiche.
La risposta della QBO presenta caratteristiche molto differenti rispetto a ENSO. Nei compositi EQBO e WQBO mostrati dagli autori emerge innanzitutto una simmetria molto maggiore tra le due fasi. Durante EQBO, le anomalie orientali dominano la bassa e media stratosfera tropicale, mentre al di sopra compaiono anomalie occidentali. Durante WQBO il segno viene in larga misura invertito. Questa configurazione verticale riflette la struttura caratteristica della QBO, costituita da regimi di vento alternati che discendono attraverso la stratosfera tropicale. A differenza della risposta ENSO, relativamente asimmetrica a causa della complessità del coupling oceano–atmosfera, la QBO rappresenta un’oscillazione dinamica più regolare nella quale la transizione fra fase orientale e occidentale produce, climatologicamente, una struttura verticale quasi speculare.
Le anomalie della QBO non rimangono tuttavia confinate ai tropici. Durante EQBO, Wang et al. mostrano che le anomalie orientali si estendono verso le medie e alte latitudini e sono associate a un indebolimento della circolazione occidentale del vortice polare. Durante WQBO emerge invece una configurazione di segno opposto. Questa teleconnessione rappresenta una manifestazione del classico effetto Holton–Tan, cioè la relazione statistica tra la fase della QBO tropicale e la forza del vortice polare stratosferico boreale. La letteratura ha mostrato per decenni che EQBO è generalmente associata a un vortice più debole e caldo, mentre WQBO tende a essere associata a una circolazione polare più intensa. Il meccanismo coinvolge modificazioni delle condizioni di propagazione delle onde planetarie, della struttura del vento zonale subtropicale e della circolazione secondaria indotta dalla QBO.
Questa relazione tropici–polo rappresenta un elemento decisivo anche per la circolazione dell’Asia orientale. La posizione e l’intensità dei jet dipendono infatti non soltanto dalle condizioni tropicali ma anche dallo stato della circolazione extratropicale e del vortice stratosferico. La QBO può quindi influenzare la circolazione regionale mediante almeno due vie concettualmente differenti. La prima attraversa la stratosfera polare: la QBO modifica il vortice, le anomalie stratosferiche possono propagarsi verso il basso e la circolazione troposferica risponde attraverso variazioni dei regimi annulari e dei getti. La seconda è una via più subtropicale, legata alla circolazione secondaria QBO, alla tropopausa e alla modificazione dei venti nell’alta troposfera e bassa stratosfera.
Proprio questa seconda via sta ricevendo crescente attenzione. Un recentissimo studio osservativo pubblicato nel 2026 ha mostrato che i segnali della QBO possono estendersi direttamente alla tropopausa e alla convezione profonda dell’Asia orientale. Durante l’inverno, EQBO è risultata associata a uno spostamento verso nord del jet subtropicale occidentale, a una riduzione della subsidenza di tipo Hadley e a un’anomalia ascendente sulla Cina centrale. Gli autori hanno inoltre identificato un contributo del breaking delle onde planetarie alle medie e alte latitudini, della convergenza del flusso di attività ondulatoria nei pressi del jet subtropicale e di modificazioni dello shear zonale nella regione dell’alta troposfera–bassa stratosfera. Tali cambiamenti sono associati a una tropopausa più alta e più fredda e a una maggiore convezione profonda sulla Cina centrale. Questi risultati offrono un supporto particolarmente interessante all’interpretazione della Figura S2: la QBO non deve essere considerata un fenomeno esclusivamente stratosferico equatoriale, poiché può modificare direttamente la circolazione meridionale e la stabilità atmosferica sull’Asia orientale.
La connessione con il jet subtropicale è particolarmente rilevante. Il jet dell’Asia orientale è mantenuto da una combinazione di dinamica termica e trasporto di quantità di moto da parte degli eddies. Nella parte a monte del jet, le celle meridionali locali possono fornire un trasporto di momento dall’alta troposfera tropicale verso le latitudini subtropicali, mentre nella regione a valle la componente eddy-driven assume maggiore importanza. Di conseguenza, se EQBO riduce la subsidenza subtropicale o sposta la struttura della circolazione meridionale, essa può modificare direttamente la posizione del jet; se contemporaneamente cambia il breaking delle onde planetarie, l’effetto può propagarsi ulteriormente verso le medie latitudini. La circolazione meridionale rappresenta quindi un ponte dinamico naturale tra la QBO tropicale e la circolazione invernale dell’Asia orientale.
La quasi simmetria tra EQBO e WQBO mostrata da Wang et al. è inoltre importante dal punto di vista del problema della linearità. Se i due stati della QBO generano strutture quasi speculari, il loro contributo alla risposta congiunta con ENSO può, almeno in prima approssimazione, essere aggiunto al segnale ENSO. Ed è precisamente ciò che emerge confrontando i compositi ENSO–QBO con la corrispondente somma dei segnali puri. La linearità è molto evidente nella maggior parte della sezione meridionale, anche se la troposfera tropicale mostra alcune eccezioni.
Nel caso El Niño–EQBO, infatti, la circolazione tropicale troposferica del composito congiunto non coincide perfettamente con la somma di El Niño ed EQBO isolati. È proprio in questa regione che emerge una componente non lineare. Questa caratteristica è particolarmente interessante perché ENSO e QBO possono entrambi modificare la circolazione tropicale ma attraverso processi differenti. El Niño altera direttamente la distribuzione del riscaldamento convettivo e quindi le celle meridionali; EQBO modifica la struttura termica della tropopausa tropicale, la stabilità dell’alta troposfera e la circolazione secondaria stratosferica. Quando le due perturbazioni agiscono contemporaneamente, la risposta convettiva e la circolazione associata possono quindi non risultare perfettamente additive.
La letteratura sulla modulazione QBO della convezione fornisce un contesto fisico utile. La fase della QBO modifica la temperatura della tropopausa tropicale attraverso la sua circolazione secondaria. Anomalie di temperatura nella tropical tropopause layer possono influenzare la stabilità statica fra alta troposfera e bassa stratosfera e, indirettamente, la profondità della convezione. Il recentissimo studio sull’Asia orientale mostra proprio che durante EQBO la riduzione della stabilità nella regione UTLS può favorire una maggiore convezione profonda sulla Cina centrale. Se contemporaneamente El Niño modifica il riscaldamento tropicale e la posizione della convezione, diventa plausibile che la combinazione produca una circolazione meridionale tropicale che non corrisponde esattamente alla somma dei due compositi individuali.
Alle medie latitudini, tuttavia, El Niño–EQBO presenta una forte linearità. Le anomalie settentrionali nel composito congiunto hanno infatti ampiezza comparabile a quelle previste dalla sovrapposizione dei segnali individuali. Questa differenza fra tropici e medie latitudini è molto significativa: indica che la non linearità osservata nella circolazione convettiva tropicale non è necessariamente trasferita integralmente alle latitudini superiori. Il sistema può quindi essere localmente non additivo in una determinata regione e contemporaneamente mantenere una risposta quasi lineare su scale più ampie.
Il caso El Niño–WQBO presenta un comportamento ancora più chiaramente additivo. La struttura e la distribuzione delle anomalie del vento zonale del composito congiunto sono quasi identiche a quelle della somma lineare. In particolare, le anomalie occidentali tropicali associate alla WQBO rafforzano quelle collegate a El Niño, producendo un’ampia fascia di anomalie occidentali che dalla stratosfera tropicale si estende verso il basso fino alla troposfera subtropicale. Questo risultato suggerisce che, in tale configurazione, ENSO e QBO tendano a rafforzarsi reciprocamente nella regione del vento occidentale tropicale–subtropicale senza generare una riorganizzazione spaziale radicalmente nuova.
Tuttavia, l’apparente linearità della struttura zonale non implica che tutti i processi dinamici sottostanti siano lineari. Garfinkel e Hartmann hanno dimostrato che la fase della QBO può modificare sensibilmente la teleconnessione di El Niño nel Nord Pacifico. Nel loro studio, gli eventi El Niño erano associati a una risposta extratropicale più forte durante la fase occidentale della QBO a 70 hPa rispetto alla fase orientale. La differenza era collegata a variazioni dei venti nella regione del jet subtropicale: durante EQBO compariva una cresta anomala sul Nord Pacifico accompagnata da anomalie orientali in corrispondenza del jet climatologico e anomalie occidentali nei tropici profondi, una configurazione capace di ridurre la risposta extratropicale a una perturbazione tropicale. Questo risultato mostra che una struttura media apparentemente additiva può comunque contenere processi di propagazione ondulatoria fortemente dipendenti dallo stato di fondo.
La distinzione diventa importante quando si confrontano le conclusioni di Wang et al. con quelle di studi che hanno riscontrato interazioni ENSO–QBO più fortemente non lineari. Ma et al., per esempio, hanno mostrato che nel Nord Atlantico la teleconnessione QBO cambia percorso a seconda della fase ENSO. Durante El Niño prevale maggiormente una via subtropicale, caratterizzata da modificazioni del jet subtropicale tra Pacifico e Atlantico e da differenti treni di onde di Rossby; durante La Niña assume invece maggiore importanza una via polare mediata dalle anomalie del vortice stratosferico. Durante El Niño–WQBO, in particolare, il treno di onde quasi stazionarie simile al Tropical Northern Hemisphere pattern risulta rafforzato e si estende maggiormente verso il Nord Atlantico, mentre durante El Niño–EQBO la propagazione lungo il jet subtropicale è più debole.
Questi studi non contraddicono la forte linearità osservata da Wang et al. nella sezione meridionale dell’Asia orientale. Analizzano infatti grandezze differenti e, soprattutto, scale spaziali diverse. La circolazione meridionale mediata sull’ampio settore 73°–150°E può risultare quasi additiva anche quando la traiettoria longitudinale delle onde di Rossby presenta significative differenze regionali. La media longitudinale tende infatti a eliminare una parte della struttura di fase delle onde e a enfatizzare le componenti su grande scala della circolazione. Pertanto, una non linearità importante nella posizione di una cresta o di una saccatura può risultare meno evidente in una sezione mediata longitudinalmente, mentre rimane chiaramente riconoscibile nelle mappe orizzontali del geopotenziale e del flusso di attività ondulatoria.
La combinazione La Niña–EQBO costituisce un altro esempio interessante di sovrapposizione. In questo caso, le anomalie orientali tropicali associate ai due segnali si sovrappongono, producendo un’estensione geografica e verticale più ampia della fascia di vento anomalo. Questo comportamento rappresenta quasi un esempio ideale di interferenza lineare costruttiva: entrambi i contributi hanno localmente lo stesso segno e la loro combinazione produce un’anomalia più ampia, senza generare una configurazione radicalmente differente. Ciò non significa necessariamente che La Niña e EQBO esercitino gli stessi effetti sul vortice polare; anzi, nel settore stratosferico extratropicale i loro contributi possono essere opposti. Tuttavia, nella regione tropicale considerata nella sezione, le anomalie zonali possono rafforzarsi.
Il composito La Niña–WQBO presenta invece una corrispondenza ancora più evidente con la sovrapposizione lineare. Questo risultato è coerente con quanto mostrato anche per altre variabili nello studio: alcune configurazioni La Niña–QBO presentano generalmente un comportamento più additivo rispetto alla combinazione El Niño–EQBO. Il fatto che la risposta della QBO sia relativamente simmetrica, mentre quella di ENSO è più asimmetrica, può contribuire a questa differenza. La fase ENSO calda genera in molte regioni una risposta convettiva e ondulatoria più intensa e geograficamente complessa, aumentando le possibilità di interazione con il segnale QBO.
Dal punto di vista fisico, uno degli aspetti più interessanti della Sezione 3.2 è dunque la differenza fra il comportamento della circolazione tropicale e quello delle medie latitudini. La troposfera tropicale è direttamente influenzata dalla convezione, dal riscaldamento latente e dalle anomalie della circolazione di Walker. È quindi una regione nella quale piccole modificazioni della temperatura della tropopausa o della stabilità possono alterare la profondità della convezione e produrre feedback non lineari. Le medie latitudini, almeno nella rappresentazione meridionale mediata longitudinalmente, rispondono invece soprattutto alla combinazione delle perturbazioni del jet, della propagazione delle onde e della circolazione su grande scala. In questa rappresentazione la componente lineare può quindi emergere più chiaramente.
L’East Asian jet costituisce il collegamento dinamico fra queste due regioni. La letteratura ha mostrato che la sua intensificazione può essere sostenuta da celle meridionali locali di tipo Hadley che trasportano momento dall’alta troposfera tropicale verso il jet, mentre eddies sinottici contribuiscono in maniera sostanziale alla sua struttura e al suo spostamento alle latitudini superiori. La posizione zonale del jet è anch’essa sensibile alla distribuzione della convezione tropicale: una maggiore convezione nell’Oceano Indiano, per esempio, può aumentare il trasporto di momento dai tropici verso la cintura subtropicale e rafforzare la porzione occidentale del getto. Cambiamenti della posizione del jet sono inoltre associati a differenti configurazioni di temperatura su Cina, Corea e Giappone. Di conseguenza, le variazioni ENSO–QBO della circolazione meridionale osservate da Wang et al. possiedono potenziali implicazioni per il clima regionale molto più ampie rispetto al solo campo del vento zonale.
Un’altra implicazione riguarda l’accoppiamento fra stratosfera e troposfera. La QBO può influenzare il jet dell’Asia orientale sia direttamente, attraverso la modifica della tropopausa e della circolazione subtropicale, sia indirettamente attraverso il vortice polare. La recente evidenza osservativa di una EQBO associata in inverno a uno spostamento verso nord del subtropical westerly jet e a una riduzione della subsidenza sull’Asia orientale suggerisce che la via subtropicale possa essere particolarmente importante. Allo stesso tempo, la relazione Holton–Tan offre una via polare: un vortice indebolito durante EQBO può modificare il Northern Annular Mode e alterare i getti e la circolazione troposferica delle medie latitudini. L’effetto complessivo osservato nella sezione meridionale è quindi il risultato dell’interazione fra almeno questi due percorsi.
La distinzione fra percorso subtropicale e percorso polare è particolarmente utile per comprendere perché la linearità non sia uniforme. Il percorso subtropicale è fortemente sensibile alla convezione tropicale e quindi allo stato di ENSO. Se El Niño modifica profondamente il jet subtropicale e la QBO altera contemporaneamente il vento nell’alta troposfera–bassa stratosfera, la propagazione delle onde può diventare dipendente dalla loro combinazione. Il percorso polare, invece, può conservare una maggiore additività se le anomalie del vortice associate a ENSO e QBO si sommano in maniera relativamente regolare. I risultati di Ma et al. mostrano proprio che la predominanza dei due percorsi cambia tra El Niño e La Niña, con la via subtropicale maggiormente rilevante durante El Niño e quella polare più importante durante La Niña.
In questo senso, la modesta non linearità tropicale osservata durante El Niño–EQBO assume un significato fisico particolarmente interessante. Essa potrebbe riflettere una regione nella quale i due percorsi iniziano a interagire: ENSO modifica la convezione e la struttura del jet dal basso, mentre la QBO modifica la tropopausa e i venti stratosferici dall’alto. La regione dell’alta troposfera e bassa stratosfera rappresenta quindi una vera zona di interfaccia dinamica, nella quale le perturbazioni provenienti dalla troposfera e dalla stratosfera possono incontrarsi. La recente evidenza di una modulazione QBO della tropopausa e della convezione profonda sulla Cina centrale rende questa interpretazione ancora più plausibile.
È inoltre utile collegare questi risultati alla nozione di linearità utilizzata nell’intero lavoro. La linearità non implica che le equazioni dell’atmosfera siano lineari o che ENSO e QBO non interagiscano fisicamente. Significa piuttosto che la configurazione media risultante dalla loro simultanea presenza può essere approssimata molto bene dalla somma delle due risposte separate. Il wave breaking, le interazioni onda–flusso medio, la convezione profonda e i feedback tra eddies e jet rimangono processi intrinsecamente non lineari. Tuttavia, quando si costruiscono compositi stagionali medi su molti eventi, i contributi non lineari possono risultare relativamente piccoli rispetto ai segnali di primo ordine.
È proprio questa distinzione che permette di comprendere perché Wang et al. trovino contemporaneamente forte linearità nella circolazione meridionale dell’Asia orientale e crescente non linearità nella troposfera regionale delle alte latitudini. La sezione verticale mediata su un ampio intervallo longitudinale mette in risalto strutture climatologiche persistenti e organizzate, mentre una mappa regionale della temperatura o dell’altezza geopotenziale conserva molto più chiaramente gli spostamenti dei centri d’azione, i treni d’onda e le anomalie generate dai feedback locali. Una piccola differenza nella posizione del jet può quindi essere poco evidente nella media longitudinale e, contemporaneamente, produrre una grande differenza di temperatura o precipitazione in una specifica regione.
La recente letteratura sul clima dell’Asia orientale rafforza ulteriormente questa prospettiva. Il sistema monsonico invernale e il jet sono sensibili non soltanto a ENSO e QBO, ma anche all’Arctic Oscillation, al ghiaccio dei mari di Barents e Kara, alla temperatura del Plateau tibetano e a differenti modalità tropicali di variabilità. Anche la Madden–Julian Oscillation può influenzare la variabilità subseasonal dell’East Asian winter monsoon attraverso onde di Rossby che si propagano lungo il jet subtropicale e collegano l’Asia orientale a regioni remote. Questo insieme di forzanti dimostra quanto la circolazione asiatica rappresenti un crocevia di segnali tropicali, polari e stratosferici.
La presenza di molti fattori concorrenti ha implicazioni importanti anche per la prevedibilità stagionale. ENSO e QBO possiedono entrambe una prevedibilità relativamente elevata rispetto alla normale variabilità meteorologica: ENSO grazie alla memoria dell’oceano tropicale, la QBO grazie alla lenta discesa dei suoi regimi di vento nella stratosfera. In linea teorica, la loro combinazione dovrebbe quindi fornire informazioni preziose sulla circolazione invernale asiatica. La forte linearità mostrata da Wang et al. alle medie latitudini suggerisce che, per alcune caratteristiche della circolazione meridionale e del vento zonale, la risposta combinata può essere stimata con buona approssimazione partendo dai due segnali separati. Tuttavia, la non linearità tropicale e le differenze regionali ricordano che questa informazione non può essere convertita automaticamente in una previsione deterministica del clima locale.
Il problema diventa ancora più evidente considerando che la stessa intensità del jet influenza ciclogenesi, frontogenesi ed estremi termici regionali. Una variazione relativamente modesta della circolazione meridionale può modificare il jet, e una variazione del jet può a sua volta riorganizzare le storm track e la propagazione delle onde. La catena causale che collega ENSO e QBO al clima superficiale dell’Asia orientale comprende quindi diversi passaggi nei quali la variabilità interna può amplificare o attenuare il segnale iniziale. È per questo che una risposta fortemente lineare nella struttura meridionale media non implica necessariamente una risposta altrettanto lineare delle temperature o delle precipitazioni regionali.
Un ulteriore elemento merita attenzione: la forte simmetria della QBO mostrata nei compositi non deve essere considerata universale. La teleconnessione QBO verso il vortice polare varia infatti da decennio a decennio e può dipendere da ENSO, dal ciclo solare e dallo stato della circolazione troposferica. La revisione di Anstey e Shepherd sottolinea come, pur essendo robusta statisticamente, la relazione Holton–Tan presenti importanti variazioni temporali e come rimanga ancora aperta la questione di quali livelli verticali della QBO esercitino l’influenza maggiore sul vortice. Pertanto, la simmetria EQBO–WQBO osservata nello studio deve essere interpretata come una caratteristica composita dell’ensemble e non come una legge deterministica applicabile a ogni singolo inverno.
Analogamente, la predominanza della linearità nell’Asia orientale non esclude che particolari episodi possano mostrare una forte interazione ENSO–QBO. Garfinkel e Hartmann hanno documentato una modulazione QBO molto evidente della teleconnessione El Niño sul Nord Pacifico, mentre Ma et al. hanno mostrato come la combinazione ENSO–QBO possa generare effetti non lineari sul Nord Atlantico attraverso differenti vie dinamiche. Questi risultati sottolineano ancora una volta che il grado di linearità dipende dalla variabile, dalla regione, dalla scala spaziale e dal periodo temporale esaminati.
Nel complesso, la Sezione 3.2 mostra quindi che la circolazione meridionale dell’Asia orientale costituisce una regione di transizione estremamente interessante tra la forte regolarità stratosferica della risposta ENSO–QBO e la crescente complessità della risposta troposferica. ENSO produce una riorganizzazione relativamente asimmetrica della circolazione meridionale tropicale e delle medie latitudini, coerente con le profonde modificazioni della convezione e dei jet generate dal Pacifico tropicale. La QBO produce invece una risposta verticalmente ben organizzata e quasi speculare fra fase orientale e occidentale, con la propria firma tropicale che si estende verso le alte latitudini attraverso la modulazione della circolazione stratosferica e del vortice polare. Quando le due perturbazioni vengono combinate, la struttura risultante rimane in larga misura riconducibile alla somma dei segnali individuali, soprattutto alle medie latitudini.
La configurazione El Niño–EQBO rappresenta l’eccezione più interessante, perché nella troposfera tropicale compare una componente non lineare più evidente, probabilmente collegata alla sovrapposizione fra modificazioni ENSO della convezione e della circolazione regionale e modificazioni QBO della tropopausa, della stabilità e del jet subtropicale. Alle medie latitudini, tuttavia, la circolazione settentrionale mantiene una notevole corrispondenza con la previsione lineare. El Niño–WQBO presenta una struttura quasi perfettamente additiva, con le anomalie occidentali tropicali associate alla WQBO che rafforzano il segnale di El Niño e costruiscono un’estesa fascia di venti occidentali dalla stratosfera alla troposfera subtropicale. La Niña–EQBO mostra una sovrapposizione costruttiva delle anomalie orientali tropicali, mentre La Niña–WQBO rimane molto simile alla semplice somma dei segnali individuali.
Il significato scientifico più profondo della sezione consiste quindi nel mostrare che l’Asia orientale non costituisce semplicemente una regione passivamente influenzata da ENSO e QBO, ma una zona dinamicamente attiva nella quale la circolazione meridionale, il jet subtropicale, la tropopausa e la propagazione delle onde possono trasformare i segnali provenienti dal Pacifico tropicale e dalla stratosfera equatoriale. La recente evidenza secondo cui EQBO può spostare il jet subtropicale dell’Asia orientale, indebolire la subsidenza di tipo Hadley e favorire l’ascendenza e la convezione profonda sulla Cina centrale conferma che la QBO possiede una reale capacità di modulare la troposfera regionale, non soltanto attraverso il vortice polare ma anche attraverso una connessione subtropicale più diretta.
La forte linearità trovata da Wang et al. non riduce quindi la complessità della dinamica ENSO–QBO, ma ne chiarisce l’organizzazione. Le numerose interazioni non lineari fra onde, jet, convezione e flusso medio non producono necessariamente una grande componente non additiva nel campo medio stagionale. Nella circolazione meridionale dell’Asia orientale, i contributi di primo ordine di ENSO e QBO rimangono sorprendentemente riconoscibili anche quando i due fenomeni agiscono simultaneamente. È soltanto procedendo verso variabili più regionali e verso la troposfera delle alte latitudini che questa semplicità comincia a deteriorarsi in maniera significativa. In tale prospettiva, la Sezione 3.2 rafforza uno dei concetti fondamentali dell’intero studio: la transizione dalla stratosfera alla troposfera non consiste soltanto in una propagazione verticale del segnale, ma in una progressiva trasformazione della sua struttura, dalla quasi perfetta additività delle grandi circolazioni atmosferiche verso una risposta superficiale e regionale sempre più sensibile alle interazioni non lineari.
4. Evidenze dell’impatto congiunto ENSO–QBO nella troposfera dai modelli CMIP6 – 4.1. Risposta della circolazione meridionale dell’Asia orientale
L’utilizzo dei modelli climatici CMIP6 rappresenta un passaggio fondamentale nello studio degli effetti congiunti di El Niño–Southern Oscillation e della Quasi-Biennial Oscillation, perché permette di verificare se le caratteristiche individuate nelle rianalisi atmosferiche possano essere riprodotte in sistemi climatici numerici indipendenti e su campioni temporali più ampi. La limitata durata delle osservazioni costituisce infatti uno dei principali ostacoli nello studio delle configurazioni ENSO–QBO: dopo aver suddiviso gli inverni nelle quattro combinazioni El Niño–EQBO, El Niño–WQBO, La Niña–EQBO e La Niña–WQBO, il numero di casi disponibili per ciascuna categoria diventa relativamente ridotto e la risposta composita può essere influenzata in maniera significativa dalla variabilità interna dell’atmosfera. Wang et al. affrontano questa difficoltà utilizzando un ensemble selezionato di tre modelli CMIP6 — ACCESS-CM2, HadGEM3-GC31-LL e UKESM1-0-LL — precedentemente identificati come modelli ad elevata capacità di rappresentare sia le teleconnessioni ENSO sia quelle della QBO. Nel precedente lavoro del 2024 gli autori avevano inizialmente valutato 18 modelli CMIP5 e CMIP6 capaci di produrre una QBO e avevano mostrato che, nei modelli più realistici, la risposta stratosferica alle quattro configurazioni ENSO–QBO era quasi indistinguibile dalla somma dei segnali individuali. Il nuovo studio estende tale verifica dalla stratosfera alla troposfera, cercando di comprendere dove questa forte linearità inizi a deteriorarsi.
La scelta di utilizzare soltanto modelli dotati di una buona rappresentazione delle teleconnessioni non è un dettaglio secondario. La QBO è un fenomeno relativamente difficile da simulare correttamente nei modelli climatici, poiché la sua generazione dipende dal trasporto verticale di quantità di moto da parte di un ampio spettro di onde equatoriali e dalla capacità del modello di rappresentare con sufficiente risoluzione la struttura verticale della stratosfera. Se l’ampiezza della QBO nella bassa stratosfera è troppo debole, anche la teleconnessione verso il vortice polare tende a essere sottostimata. Gli esperimenti coordinati della QBO Initiative hanno infatti mostrato che, sebbene la maggior parte dei modelli QBO-resolving riproduca qualitativamente il classico effetto Holton–Tan — vortice più intenso durante WQBO e più debole durante EQBO — la risposta modellistica è frequentemente più debole rispetto alle osservazioni e tale deficit è collegato, almeno in parte, alla sottostima dell’ampiezza della QBO intorno a 50 hPa. L’analisi di Wang et al. trae quindi particolare beneficio dall’impiego di un ensemble selezionato, perché l’obiettivo non è calcolare una media indiscriminata di tutti i modelli CMIP6, ma esaminare il comportamento ENSO–QBO all’interno di sistemi numerici in grado di rappresentarne ragionevolmente i meccanismi fondamentali.
Il confronto con ERA5 mostra una notevole coerenza. Questo risultato rafforza l’interpretazione secondo cui la struttura meridionale–verticale osservata nell’Asia orientale non rappresenta semplicemente una peculiarità della sequenza climatica verificatasi nel periodo delle rianalisi. I modelli riproducono infatti la risposta fondamentale di ENSO, la struttura quasi opposta della QBO orientale e occidentale e, soprattutto, il carattere largamente additivo delle configurazioni congiunte. Tale accordo è particolarmente significativo perché rianalisi e modelli presentano fonti di incertezza molto differenti: ERA5 è vincolata dalle osservazioni assimilate e rappresenta l’effettiva evoluzione dell’atmosfera terrestre, mentre le simulazioni climatiche sviluppano autonomamente la propria variabilità interna. Quando entrambi i sistemi mostrano una risposta simile, aumenta la plausibilità che il segnale rappresenti una caratteristica dinamica reale piuttosto che un artefatto statistico.
Durante gli inverni El Niño, i modelli mostrano nella bassa troposfera tropicale anomalie di vento meridionale e nell’alta troposfera anomalie settentrionali. Considerate insieme ai moti verticali, queste anomalie delineano un rafforzamento della circolazione meridionale regionale di tipo Hadley. È importante precisare che non si tratta necessariamente di una semplice intensificazione uniforme della cella di Hadley zonalmente media. L’Asia orientale è caratterizzata da una circolazione fortemente dipendente dalla longitudine, condizionata dalla distribuzione della convezione nel Pacifico occidentale e nell’Oceano Indiano, dall’orografia asiatica e dall’intenso jet subtropicale invernale. La risposta rappresentata dai modelli è quindi meglio interpretata come una modificazione della componente regionale della circolazione meridionale, nella quale anomalie dei moti verticali tropicali e subtropicali sono accompagnate da un trasporto meridionale anomalo nell’alta e nella bassa troposfera.
Gli studi dedicati all’East Asian jet forniscono un contesto dinamico particolarmente utile. Chan e collaboratori hanno mostrato che la variabilità interannuale dell’intensità del nucleo del jet dell’Asia orientale è sostenuta da processi differenti fra la regione a monte e quella a valle. Nel settore occidentale del jet, il rafforzamento è controllato soprattutto dal trasporto di momento angolare nell’alta troposfera associato a celle di Hadley regionali alimentate dalla convezione tropicale, compresa quella sul Golfo del Bengala e sul Mar Cinese Meridionale; procedendo verso il Pacifico, assumono crescente importanza il trasporto di momento da monte e l’attività degli eddies sinottici. Ne consegue che una perturbazione ENSO capace di modificare la convezione tropicale può influenzare la circolazione dell’Asia orientale non soltanto attraverso un classico treno di onde di Rossby, ma anche modificando direttamente la cella meridionale che contribuisce al mantenimento del jet subtropicale.
Il rafforzamento della circolazione meridionale regionale durante El Niño deve essere interpretato proprio in questa prospettiva. Le anomalie delle SST nel Pacifico tropicale modificano la posizione delle principali regioni convettive e quindi la distribuzione del riscaldamento diabatico. A sua volta, il riscaldamento atmosferico tropicale modifica la divergenza dell’alta troposfera e la circolazione meridionale, producendo variazioni nei venti subtropicali. Contemporaneamente vengono generate onde di Rossby che si propagano verso il Nord Pacifico e l’Eurasia. I due percorsi non sono indipendenti: una modifica del jet può cambiare le condizioni di propagazione delle stesse onde che contribuiscono a modificare il jet, creando un sistema di feedback fra circolazione media e attività ondulatoria.
Durante La Niña, la cella anomala simulata dai modelli presenta una struttura generalmente opposta, confermando che la principale risposta della circolazione meridionale tropicale segue il segno della forzante ENSO. Tuttavia, come già emerso dalle analisi ERA5, la simmetria non è perfetta. Questa caratteristica è coerente con l’ampia letteratura sulla non linearità di ENSO: El Niño e La Niña differiscono nella posizione longitudinale delle anomalie oceaniche, nella struttura della convezione e nell’intensità della risposta atmosferica. Di conseguenza, una inversione del segno delle SST non produce necessariamente una inversione esatta della circolazione extratropicale. Tale asimmetria rappresenta una delle ragioni per cui è metodologicamente preferibile analizzare separatamente le quattro combinazioni ENSO–QBO invece di assumere che El Niño e La Niña siano due perturbazioni perfettamente speculari.
Un quadro ancora più chiaro emerge dalle fasi QBO. Nei modelli, EQBO e WQBO producono risposte generalmente opposte nella stratosfera dell’Asia orientale. La fase orientale della QBO è associata a un indebolimento del jet polare stratosferico, mentre la fase occidentale tende a rafforzarlo. Si tratta della manifestazione regionale del classico effetto Holton–Tan, secondo il quale il vortice polare dell’emisfero settentrionale tende climatologicamente a essere più debole durante EQBO e più intenso durante WQBO. Le simulazioni QBOi confermano che questo segnale viene riprodotto dalla maggior parte dei modelli che rappresentano esplicitamente la QBO, sebbene spesso con ampiezza inferiore a quella osservata. La Figura 2 dello studio di Wang et al. mostra quindi che questa teleconnessione non rimane confinata al vento zonale medio globale, ma si manifesta chiaramente anche nella sezione meridionale–verticale mediata sul settore asiatico.
Il collegamento tra QBO e circolazione dell’Asia orientale può essere compreso attraverso due grandi percorsi dinamici. Kumar, Yoden e Hitchman hanno distinto una “via stratosferica”, nella quale la circolazione meridionale QBO modifica la propagazione e l’assorbimento delle onde planetarie attraverso il meccanismo Holton–Tan, e una “via troposferica”, nella quale le anomalie QBO si estendono verso l’alta troposfera e la bassa stratosfera subtropicale e modificano direttamente i jet occidentali. Il loro studio basato su ERA-Interim mostra che le anomalie QBO della circolazione meridionale possiedono una struttura organizzata che si estende dai tropici verso le medie latitudini, e che durante WQBO sia il vortice polare sia i jet subtropicali tendono a essere più intensi. Questo quadro è direttamente pertinente ai risultati CMIP6 di Wang et al., perché indica che la QBO può raggiungere la troposfera asiatica attraverso una combinazione di processi polari e subtropicali.
Il cuore della Sezione 4.1 consiste tuttavia nel confronto tra gli eventi congiunti e la somma lineare dei segnali individuali. Nel caso El Niño–EQBO, la risposta simulata dai modelli è quasi identica alla sovrapposizione del puro segnale El Niño e del puro segnale EQBO. Nella troposfera tropicale, la circolazione meridionale è dominata da El Niño: ciò suggerisce che, laddove il forcing convettivo tropicale è particolarmente forte, il contributo diretto di ENSO costituisce la componente di primo ordine della risposta. La QBO modifica il contesto stratosferico e subtropicale, ma non altera radicalmente la struttura della cella meridionale tropicale simulata dall’ensemble. Nella stratosfera extratropicale, invece, le anomalie orientali associate a El Niño si sommano alle anomalie orientali prodotte da EQBO, accentuando l’indebolimento della circolazione occidentale polare.
Questa configurazione costituisce un classico esempio di interferenza costruttiva. El Niño e EQBO raggiungono il vortice attraverso meccanismi differenti ma producono, in media, anomalie dello stesso segno nella stratosfera extratropicale. El Niño tende ad aumentare la perturbazione del vortice attraverso una modificazione delle onde planetarie troposferiche, mentre EQBO altera le condizioni di propagazione delle onde e favorisce climatologicamente una risposta Holton–Tan caratterizzata da venti occidentali polari più deboli. Se il sistema fosse fortemente non lineare, la simultanea presenza delle due forzanti potrebbe produrre un’anomalia qualitativamente differente oppure un’amplificazione molto superiore alla somma dei contributi individuali. I modelli mostrano invece che la risposta stagionale media è quasi esattamente quella prevista da una semplice addizione.
Questo risultato è notevole alla luce di precedenti studi che avevano evidenziato un’interazione più complessa. Kumar et al., per esempio, hanno trovato che El Niño può ridurre l’ampiezza delle anomalie QBO nella stratosfera tropicale e diminuire l’estensione verso il polo della circolazione meridionale QBO; al contrario, La Niña tende ad amplificare alcune teleconnessioni QBO, compresa la risposta del vortice polare. Tali risultati suggeriscono un’importante dipendenza delle teleconnessioni QBO dallo stato di ENSO. La forte linearità di Wang et al. non elimina questa dipendenza, ma indica che, nei modelli selezionati e nella media invernale, tali interazioni rappresentano una componente relativamente piccola rispetto alla struttura totale delle anomalie. In altri termini, i processi dinamici possono essere non lineari senza che la risposta climatologica risultante perda necessariamente la propria additività.
La distinzione è fondamentale. Le equazioni dell’atmosfera, il wave breaking e le interazioni fra onde e flusso medio sono intrinsecamente non lineari. Parlare di “linearità” nello studio non significa dunque affermare che ENSO e QBO non interagiscano fisicamente, bensì che la risposta composita totale durante un determinato stato congiunto può essere ricostruita con notevole precisione sommando i due compositi puri. È una linearità statistica ed emergente del campo medio stagionale. Eventuali non linearità nella tempistica, nella propagazione di singole onde o nell’intensità di particolari eventi possono coesistere con una risposta media quasi perfettamente additiva.
Il caso El Niño–WQBO mostra il comportamento complementare. Qui WQBO produce anomalie occidentali nella stratosfera, associate a un rafforzamento della circolazione polare, mentre El Niño tende a produrre anomalie orientali extratropicali, coerenti con un vortice più debole. I due contributi agiscono quindi in direzioni opposte. Nei pannelli dei modelli, le anomalie occidentali legate a WQBO risultano attenuate dalle anomalie orientali associate a El Niño, e la risposta complessiva coincide quasi perfettamente con quella prevista dalla sovrapposizione lineare. In questo caso non si osserva un’amplificazione costruttiva, ma una compensazione quasi aritmetica fra due segnali di segno contrario.
Questo comportamento è particolarmente istruttivo perché dimostra che la fase QBO può avere un peso decisivo nel determinare l’intensità della risposta stratosferica durante El Niño. Non significa tuttavia che WQBO annulli necessariamente la teleconnessione ENSO in ogni inverno. La relazione è climatologica e il vortice presenta un’enorme variabilità interna. Piuttosto, la figura mostra che, nella media dell’ensemble, una parte consistente dell’anomalia orientale prodotta da El Niño viene compensata dalla componente occidentale della WQBO.
Studi precedenti hanno inoltre mostrato che proprio durante El Niño–WQBO può rafforzarsi la componente troposferica della teleconnessione. Kumar et al. hanno trovato che durante El Niño combinato con QBO occidentale i jet subtropicali possono risultare particolarmente intensi. Questo risultato ricorda che la stessa combinazione può comportarsi in maniera diversa nella stratosfera polare e nella troposfera subtropicale: nella prima regione WQBO contrasta parzialmente l’indebolimento del vortice associato a El Niño, mentre nella seconda può cooperare con la struttura del vento tropicale–subtropicale e rafforzare il jet. Una simile distinzione è essenziale per comprendere perché la linearità non debba essere interpretata come uniformità spaziale.
Le configurazioni La Niña–QBO forniscono un’ulteriore conferma della robustezza della sovrapposizione. Nella troposfera tropicale e nella stratosfera dell’emisfero settentrionale, le risposte congiunte sono molto vicine alla somma dei segnali individuali. Durante La Niña–EQBO, le due forzanti possono produrre contributi parzialmente opposti nella regione polare: La Niña tende mediamente a essere associata a un vortice relativamente più forte, mentre EQBO favorisce un indebolimento attraverso il meccanismo Holton–Tan. Durante La Niña–WQBO, invece, i segnali tendono maggiormente a cooperare nella direzione di una circolazione polare occidentale più intensa. In entrambi i casi l’ensemble CMIP6 mostra che il pattern risultante rimane largamente additivo.
Questo risultato può essere confrontato con quello di Kumar et al., secondo cui la teleconnessione QBO verso il vortice polare tende a essere più intensa durante La Niña e molto più debole durante El Niño. Nel loro studio, La Niña amplificava sia le anomalie QBO occidentali sia quelle orientali, mentre El Niño riduceva l’estensione meridionale–polare della circolazione QBO. Più recentemente, gli esperimenti QBOi con SST idealizzate di El Niño e La Niña hanno confermato che il rapporto Holton–Tan può dipendere dallo stato ENSO e che, in ERA5, il legame QBO–vortice appare particolarmente forte durante La Niña, anche se i modelli mostrano una risposta più debole e considerevoli differenze fra loro. Questo insieme di risultati mostra che ENSO può modulare l’ampiezza della teleconnessione QBO, ma non necessariamente al punto da distruggere la struttura lineare della risposta composita.
La coerenza tra ERA5 e CMIP6 assume quindi un’importanza particolare. Nel precedente lavoro del 2024, Wang et al. avevano mostrato che i modelli più abili riproducevano la quasi identità tra risposta stratosferica congiunta e somma dei segnali ENSO e QBO. Nel lavoro del 2026, questa caratteristica viene osservata anche nella circolazione meridionale tropicale e subtropicale, mentre la componente non lineare diventa progressivamente più evidente solo avvicinandosi alle alte latitudini della troposfera e alla superficie. Tale risultato suggerisce che l’origine principale della non linearità troposferica non vada necessariamente ricercata in una forte interazione ENSO–QBO già presente nella stratosfera.
Una possibile interpretazione dinamica è che la stratosfera e la circolazione meridionale su grande scala agiscano come una sorta di “filtro relativamente ordinato” dei due segnali. ENSO introduce anomalie attraverso la convezione e le onde planetarie, mentre la QBO modifica direttamente il vento stratosferico e la circolazione meridionale secondaria. Su scala stagionale, questi contributi rimangono in larga parte separabili. Quando però il segnale raggiunge la troposfera extratropicale regionale, entra in un sistema dominato dall’interazione continua fra jet, eddies sinottici, blocchi atmosferici, storm track e onde planetarie. Una differenza relativamente piccola nella struttura del vento può quindi modificare la traiettoria delle onde e produrre una risposta regionale sproporzionata.
La dinamica dell’East Asian jet rappresenta un esempio particolarmente chiaro di questa trasformazione. Come mostrato da Chan et al., il jet è mantenuto da una combinazione di trasporto di momento associato a celle meridionali convettive nella regione a monte e attività degli eddies soprattutto nel settore a valle. Una risposta ENSO–QBO quasi perfettamente additiva nella circolazione meridionale tropicale non garantisce pertanto che la risposta a valle del jet sia altrettanto lineare. Un piccolo spostamento della posizione del nucleo del getto può alterare la storm track nord-pacifica, la propagazione delle onde di Rossby e le anomalie di temperatura e pressione superficiale sul continente. È proprio attraverso questa cascata dinamica che una risposta inizialmente ordinata può generare una maggiore non linearità regionale.
Questo concetto contribuisce a spiegare anche il contrasto tra la Figura 2 e la Figura 1 dello studio. Nella sezione meridionale–verticale dei modelli, le quattro configurazioni congiunte presentano coefficienti di correlazione con le rispettive somme lineari vicinissimi all’unità. Nella temperatura a 2 metri, invece, la corrispondenza è nettamente inferiore e le discrepanze diventano particolarmente evidenti nelle regioni artiche. La perdita di linearità non avviene quindi in maniera improvvisa, ma emerge progressivamente durante il trasferimento del segnale dalla grande scala stratosferica e tropicale alla risposta troposferica regionale.
Le implicazioni per la previsione stagionale sono considerevoli. ENSO e QBO sono entrambe sorgenti di prevedibilità a scale temporali molto superiori a quelle della previsione meteorologica ordinaria. La memoria oceanica permette di prevedere ENSO con mesi di anticipo, mentre l’evoluzione relativamente lenta della QBO rende le sue fasi prevedibili persino a lead time molto lunghi. Gli esperimenti QBOi sottolineano proprio come l’elevata prevedibilità della QBO possa tradursi in maggiore skill stagionale soltanto se i modelli rappresentano correttamente le teleconnessioni che collegano la stratosfera tropicale al vortice e alla troposfera. La forte linearità mostrata dai modelli selezionati di Wang et al. suggerisce che, per alcune caratteristiche della circolazione atmosferica su grande scala, conoscere separatamente ENSO e QBO possa fornire una buona prima approssimazione della risposta congiunta.
Tuttavia, l’utilità predittiva di questa additività diminuisce quando si tenta di prevedere condizioni regionali vicine alla superficie. La stessa conclusione principale dello studio del 2026 stabilisce che la linearità prevale nella stratosfera e nella troposfera tropicale ma diminuisce nella troposfera, mentre la non linearità diventa particolarmente importante alle alte latitudini e soprattutto nella configurazione El Niño–EQBO. In altre parole, sapere che El Niño e EQBO cooperano nell’indebolire il vortice non permette di dedurre automaticamente il segno della temperatura invernale sull’Europa o sull’Asia settentrionale. La risposta superficiale dipende infatti da quale regime di circolazione viene selezionato dalla troposfera e da come la variabilità interna interagisce con la forzante prevedibile.
Un’altra considerazione riguarda l’incertezza modellistica. Anstey et al. hanno evidenziato che perfino modelli esplicitamente progettati per risolvere la QBO mostrano notevoli differenze nella forza delle teleconnessioni, e che la relazione QBO–NAO è meno robustamente simulata rispetto all’effetto Holton–Tan. Di conseguenza, la buona coerenza dei tre modelli selezionati da Wang et al. non implica che ogni modello CMIP6 riproduca allo stesso modo l’interazione ENSO–QBO. Al contrario, il risultato sottolinea quanto sia importante valutare preliminarmente la capacità del modello di rappresentare QBO, ENSO, vortice polare e jet subtropicali prima di utilizzarlo per studiare le loro teleconnessioni combinate.
Questo aspetto è metodologicamente molto rilevante. Se un modello possiede una QBO troppo debole nella bassa stratosfera, il contributo QBO alla risposta congiunta sarà inevitabilmente sottostimato e il segnale apparirà artificialmente dominato da ENSO. Se il modello presenta un jet subtropicale troppo spostato o una risposta convettiva ENSO irrealistica, anche la propagazione delle onde di Rossby verrà distorta. La linearità di un sistema modellistico scarsamente realistico avrebbe quindi poco valore fisico. Il lavoro di Wang et al. cerca di ridurre questo rischio proprio selezionando modelli capaci di riprodurre le principali teleconnessioni osservate.
Nel complesso, la Sezione 4.1 fornisce dunque una verifica modellistica molto forte della struttura precedentemente individuata nelle rianalisi. El Niño intensifica la circolazione meridionale regionale tropicale dell’Asia orientale, mentre La Niña produce una risposta generalmente opposta. EQBO indebolisce il jet polare stratosferico e WQBO lo rafforza, in coerenza con l’effetto Holton–Tan e con gli esperimenti multimodello QBOi. Quando ENSO e QBO vengono combinati, le rispettive anomalie si sommano con una sorprendente regolarità. El Niño–EQBO produce una cooperazione fra anomalie orientali extratropicali, El Niño–WQBO una compensazione fra il segnale ENSO e quello QBO, mentre le configurazioni La Niña–QBO mantengono anch’esse una risposta prevalentemente additiva.
Il significato scientifico più profondo di questo risultato consiste nel mostrare che la complessità della dinamica atmosferica non conduce necessariamente a una forte non linearità del campo climatologico medio. ENSO e QBO agiscono attraverso sorgenti differenti e interagiscono con onde, jet e vortice polare, ma nella troposfera tropicale e nella stratosfera settentrionale i contributi di primo ordine rimangono largamente separabili. I risultati di Kumar et al. dimostrano contemporaneamente che ENSO può modulare l’ampiezza e l’estensione della circolazione meridionale QBO, indicando che l’interazione fisica è reale. La novità di Wang et al. consiste nel quantificare quanto tale interazione contribuisca all’anomalia totale e nel mostrare che, su scala stagionale, il contributo non lineare rimane relativamente limitato nelle regioni considerate.
La circolazione meridionale dell’Asia orientale emerge quindi come una regione di transizione cruciale fra la forte additività della stratosfera e la maggiore complessità della troposfera extratropicale. Le celle regionali di tipo Hadley trasmettono l’influenza della convezione ENSO al jet; la QBO modifica la struttura dei venti tropicali e subtropicali e il vortice polare; i due segnali possono cooperare oppure compensarsi. Ma proprio perché la risposta meridionale su grande scala rimane altamente lineare, la successiva comparsa di forti non linearità alla superficie indica che la trasformazione avviene soprattutto durante la riorganizzazione regionale della circolazione troposferica.
In questa prospettiva, il contributo dei modelli CMIP6 è molto più importante di una semplice conferma della Figura 2. Essi mostrano che la linearità ENSO–QBO non è un accidente del breve record osservativo, ma una proprietà che emerge anche in simulazioni climatiche indipendenti quando ENSO e QBO vengono rappresentati con sufficiente realismo. Allo stesso tempo, il passaggio dalla quasi perfetta additività della circolazione meridionale alla crescente non linearità delle anomalie regionali di superficie chiarisce perché la previsione stagionale possa beneficiare fortemente della conoscenza di ENSO e QBO senza diventare per questo deterministica. La stratosfera e la troposfera tropicale conservano una risposta relativamente ordinata alle due sorgenti di variabilità; procedendo verso le alte latitudini e verso il suolo, la dinamica interna dell’atmosfera rielabora progressivamente questa informazione. È proprio questo passaggio, da una risposta lineare di grande scala a una risposta regionale più non lineare, a costituire uno degli elementi più importanti dell’intero studio di Wang et al. e una chiave essenziale per comprendere come le teleconnessioni tropicali vengano trasformate lungo il percorso che collega il Pacifico equatoriale, la stratosfera e il clima invernale dell’emisfero settentrionale.
Figura 3 – Evoluzione verticale della linearità ENSO–QBO: dalla forte additività stratosferica alla crescente non linearità troposferica e regionale
La Figura 3 rappresenta uno dei passaggi quantitativamente più significativi dello studio di Wang et al., poiché consente di valutare in maniera diretta quanto la risposta termica dell’atmosfera durante gli eventi ENSO–QBO congiunti possa essere ricostruita attraverso la semplice sovrapposizione dei segnali associati separatamente a ENSO e alla Quasi-Biennial Oscillation. Se le figure precedenti mostravano soprattutto la distribuzione geografica delle anomalie e la loro struttura meridionale–verticale, la Figura 3 introduce una misura sintetica della somiglianza tra il campo termico effettivamente ottenuto durante ciascuna configurazione congiunta e quello previsto dalla somma lineare dei due segnali puri. Il risultato più importante è che questa somiglianza tende a essere estremamente elevata nella stratosfera e in larga parte dell’alta troposfera, mentre diminuisce procedendo verso la troposfera inferiore e quando l’analisi viene limitata a regioni specifiche. In altri termini, la figura trasforma in una diagnosi verticale quantitativa l’idea centrale dell’intero lavoro: la combinazione ENSO–QBO è prevalentemente lineare nella stratosfera e nella troposfera tropicale, ma la componente non lineare acquista progressivamente importanza nella troposfera regionale e soprattutto alle alte latitudini.
La grandezza utilizzata dagli autori è la correlazione spaziale fra due campi di temperatura. Da una parte vi è il pattern associato agli eventi realmente congiunti, come El Niño–EQBO o La Niña–WQBO; dall’altra vi è il campo ottenuto sommando le anomalie ENSO e QBO dopo che i rispettivi segnali sono stati depurati dall’interferenza dell’altra modalità. Un coefficiente prossimo all’unità indica che le due distribuzioni spaziali sono estremamente simili, mentre una diminuzione del coefficiente segnala che la struttura dell’evento congiunto si discosta dalla previsione lineare. La linea verticale nera collocata a r = 0,7 costituisce quindi un riferimento visivo utile per distinguere una forte corrispondenza spaziale da configurazioni nelle quali la somiglianza si riduce considerevolmente. È tuttavia importante precisare che la correlazione spaziale non misura direttamente l’uguaglianza dell’ampiezza delle anomalie. Due configurazioni possono essere altamente correlate pur avendo intensità differenti, purché le regioni relativamente calde e fredde siano disposte in maniera simile. La Figura 3 quantifica dunque soprattutto la conservazione della geometria del pattern atmosferico, non la perfetta identità quantitativa dei due campi.
Questa distinzione assume notevole importanza nell’interpretazione della linearità. Quando gli autori affermano che una determinata combinazione ENSO–QBO è fortemente lineare, non intendono sostenere che ogni processo dinamico sottostante rispetti un comportamento lineare. L’atmosfera è governata da processi intrinsecamente non lineari: la propagazione e la rottura delle onde di Rossby, l’interazione tra eddies e flusso medio, la convezione profonda, l’instabilità baroclina e la risposta dei jet dipendono dallo stato della circolazione. La linearità diagnosticata nella Figura 3 è piuttosto una proprietà emergente della risposta climatologica media: nonostante la complessità dei processi, la struttura finale dell’anomalia può risultare sorprendentemente vicina alla somma dei contributi di primo ordine prodotti separatamente da ENSO e QBO.
Gli autori compiono inoltre una distinzione metodologica estremamente utile fra il campo totale e la componente mediata zonalmente. Le curve continue rappresentano la correlazione calcolata utilizzando l’intero campo delle anomalie, conservando quindi la struttura longitudinale delle teleconnessioni, mentre quelle tratteggiate rappresentano la correlazione delle anomalie mediate lungo i paralleli. Quest’ultima operazione elimina gran parte della variabilità longitudinale legata alla posizione di creste e saccature, ai centri di alta e bassa pressione, ai continenti e agli oceani e ai singoli treni di onde planetarie. Rimane così maggiormente evidenziata la struttura meridionale e verticale su grande scala. Quando la correlazione zonalmente mediata rimane molto elevata mentre quella del campo totale diminuisce, la conclusione dinamica è particolarmente interessante: la componente su grande scala della risposta continua a essere quasi lineare, ma la sua distribuzione longitudinale viene riorganizzata.
È proprio questo elemento a spiegare perché la crescente non linearità troposferica identificata da Wang et al. debba essere interpretata soprattutto come una crescente importanza della regionalizzazione del segnale. Il sistema non perde necessariamente la propria struttura media ENSO–QBO, ma può modificare notevolmente la posizione dei centri d’azione. Una cresta atmosferica può essere spostata verso est o verso ovest, una saccatura può risultare più profonda in un settore e più debole in un altro, oppure una guida d’onda può deviare un pacchetto di onde di Rossby verso una regione differente. Questi cambiamenti possono avere conseguenze molto grandi sul clima superficiale pur modificando relativamente poco il campo mediato zonalmente.
La letteratura sulle interazioni ENSO–QBO offre diversi esempi di questo comportamento. Garfinkel e Hartmann hanno mostrato che la QBO è in grado di modificare la risposta troposferica a El Niño attraverso cambiamenti del jet subtropicale pacifico. In tale situazione, la QBO non deve necessariamente produrre una grande anomalia termica diretta: è sufficiente modificare la struttura dei venti di fondo per cambiare l’efficienza con cui le onde di Rossby generate dal forcing tropicale si propagano verso il Nord Pacifico. Ma et al. hanno successivamente esteso questo concetto al Nord Atlantico, mostrando che durante El Niño la teleconnessione QBO tende a utilizzare maggiormente una via subtropicale, mentre durante La Niña prevale relativamente una via polare mediata dal vortice stratosferico. La combinazione delle due modalità può quindi produrre effetti regionali non lineari pur conservando una struttura su grande scala relativamente regolare.
Il pannello relativo a El Niño–EQBO è probabilmente il più istruttivo dell’intera figura. Nella stratosfera e in gran parte dell’alta troposfera i modelli CMIP6 mostrano correlazioni molto elevate, frequentemente superiori a 0,9 e spesso prossime all’unità. Ciò significa che la struttura termica prodotta dalla concomitanza di El Niño e QBO orientale è quasi interamente riproducibile attraverso la somma delle due risposte individuali. Questo risultato è coerente con il precedente lavoro di Wang et al. sui modelli CMIP5 e CMIP6, nel quale gli autori avevano mostrato che la risposta del vortice polare alle configurazioni ENSO–QBO poteva essere descritta in larga misura come una sovrapposizione lineare dei segnali ENSO e QBO. Nel loro studio del 2024, i modelli più capaci di riprodurre entrambe le teleconnessioni confermavano una forte additività nella stratosfera settentrionale.
Scendendo verso la troposfera inferiore, tuttavia, El Niño–EQBO mostra una perdita molto più evidente di correlazione, soprattutto nelle rianalisi ERA5. La curva relativa al campo totale si allontana nettamente dai valori prossimi all’unità e presenta una marcata diminuzione in diversi livelli troposferici. Questo comportamento conferma quantitativamente quanto già appariva nelle mappe della temperatura a 2 metri della Figura 1: El Niño–EQBO è una delle configurazioni nelle quali il campo superficiale osservato differisce maggiormente dalla semplice somma dei segnali individuali. La differenza fra alta correlazione stratosferica e minore correlazione troposferica mostra quindi che la non linearità non viene necessariamente generata in modo dominante nella stratosfera, ma si sviluppa progressivamente durante la trasmissione e la riorganizzazione del segnale verso il basso.
Il carattere particolare di El Niño–EQBO può essere compreso anche alla luce della letteratura precedente. Calvo et al. avevano evidenziato che la fase della QBO modifica la risposta del vortice polare a El Niño e che l’interazione può presentare caratteristiche non lineari, soprattutto nella tempistica dell’evoluzione invernale. In quelle simulazioni, EQBO tendeva ad anticipare alcuni aspetti della risposta stratosferica a El Niño, mentre WQBO tendeva a ritardarli. Questi risultati suggeriscono che, anche quando la media stagionale appare quasi lineare, l’evoluzione temporale può contenere importanti componenti non additive. La Figura 3 non invalida quindi i risultati precedenti: mostra piuttosto che, integrando sull’intera stagione e considerando il pattern medio, la struttura stratosferica rimane in larga parte additiva, mentre le differenze diventano più evidenti vicino alla superficie. La letteratura moderna tende pertanto a distinguere sempre più chiaramente tra non linearità dei processi e non linearità del campo climatologico medio.
Un secondo elemento particolarmente significativo del pannello El Niño–EQBO riguarda il confronto fra campo totale e media zonale. La componente zonalmente mediata mantiene generalmente una correlazione più elevata rispetto al campo completo, soprattutto nella troposfera. Questo indica che la perdita di linearità deriva in larga parte da differenze longitudinali. In altri termini, la distribuzione media nord–sud delle anomalie termiche rimane relativamente simile alla previsione lineare, mentre le anomalie regionali vengono riorganizzate. Tale risultato è perfettamente coerente con le differenze dell’attività ondulatoria evidenziate nelle figure supplementari dello studio, nelle quali gli eventi El Niño–EQBO presentano percorsi delle onde di Rossby differenti dalla semplice sovrapposizione.
Dal punto di vista dinamico, ciò implica che piccole modificazioni del jet subtropicale o del flusso medio possono cambiare la fase e la traiettoria delle onde planetarie senza modificare radicalmente la struttura meridionale globale dell’atmosfera. Una cresta può quindi trovarsi più a est oppure più a ovest rispetto al caso lineare, producendo temperature completamente differenti su una determinata regione pur lasciando quasi invariata la media lungo il parallelo. Questo è uno dei motivi per cui le previsioni stagionali regionali risultano inevitabilmente molto più difficili delle previsioni relative allo stato medio del vortice polare o alla struttura zonale della stratosfera.
Il pannello El Niño–WQBO mostra invece un comportamento nettamente più regolare. Le correlazioni rimangono generalmente molto elevate dalla troposfera alla stratosfera, sia nei singoli modelli sia nell’ensemble ad alta capacità. Anche ERA5 mostra una corrispondenza molto forte su gran parte della colonna atmosferica. Questa configurazione indica quindi che, per El Niño–WQBO, la risposta termica combinata è ampiamente spiegabile attraverso l’addizione dei segnali puri.
Questo non significa tuttavia che l’interazione dinamica sia assente. Durante El Niño, il forcing convettivo tropicale tende a produrre una determinata configurazione delle onde di Rossby e della circolazione extratropicale; WQBO modifica contemporaneamente i venti stratosferici e può influire sulla posizione del jet subtropicale. Studi precedenti hanno mostrato che proprio durante WQBO la teleconnessione troposferica di El Niño può diventare particolarmente intensa in alcuni settori. L’elevata correlazione mostrata nella Figura 3 implica quindi che tali modificazioni, pur essendo dinamicamente rilevanti, non alterano radicalmente la struttura spaziale complessiva delle anomalie termiche quando queste vengono considerate su scala emisferica.
Questa distinzione fra grande scala e scala regionale trova un importante supporto negli esperimenti QBOi pubblicati nel 2025. Naoe et al. hanno utilizzato esperimenti idealizzati con SST caratteristiche di El Niño e La Niña per separare meglio l’influenza delle due modalità, un problema difficile da affrontare nelle sole osservazioni a causa dell’aliasing fra ENSO e QBO. Gli autori mostrano che alcune teleconnessioni QBO dipendono dallo stato ENSO e che l’intensità della risposta extratropicale varia sensibilmente fra i modelli, mentre altre componenti tropicali risultano più robuste. Il risultato rafforza l’idea che un’elevata linearità climatica media possa coesistere con una significativa dipendenza dallo stato di fondo e con differenze regionali o modellistiche.
Il pannello La Niña–EQBO presenta un’altra caratteristica importante: mentre la stratosfera mostra correlazioni quasi sempre elevatissime, alcuni modelli evidenziano una diminuzione più pronunciata nell’alta troposfera e nella regione prossima alla tropopausa. Questa fascia atmosferica, grosso modo compresa fra circa 200 e 100 hPa, rappresenta una zona di transizione dinamicamente molto sensibile. È qui che il forcing convettivo proveniente dal basso incontra direttamente la struttura della bassa stratosfera controllata dalla QBO. Il jet subtropicale raggiunge inoltre intensità elevate proprio nell’alta troposfera, e le condizioni di propagazione delle onde di Rossby dipendono fortemente dai gradienti di vento e temperatura presenti in questa regione.
La riduzione della correlazione nella regione dell’alta troposfera–bassa stratosfera può pertanto essere interpretata come un’indicazione che una parte della transizione dalla linearità stratosferica alla non linearità troposferica inizi proprio nella UTLS. ENSO modifica dal basso la convezione tropicale, il riscaldamento diabatico e la posizione dei jet; la QBO modifica dall’alto la temperatura della tropopausa, lo shear verticale e la circolazione secondaria stratosferica. L’interfaccia fra le due regioni rappresenta quindi un ambiente particolarmente favorevole all’emergere di interazioni dipendenti dallo stato.
Gli studi QBOi confermano quanto la bassa stratosfera sia fondamentale per la corretta rappresentazione delle teleconnessioni QBO. Anstey et al. hanno mostrato che nei modelli capaci di produrre una QBO l’effetto sul vortice polare viene generalmente riprodotto, ma spesso con un’ampiezza inferiore alle osservazioni; una delle cause identificate è proprio la debolezza della QBO simulata nella bassa stratosfera. Questa sensibilità implica che eventuali errori modellistici nella regione della tropopausa possono influire direttamente sulla capacità di rappresentare la transizione verticale della linearità ENSO–QBO.
La Niña–WQBO mostra invece una struttura largamente lineare nella stratosfera e in buona parte della troposfera, ma anche in questo caso alcune curve si allontanano progressivamente dall’unità avvicinandosi alla superficie. Questo comportamento è coerente con il quadro generale dello studio: la stratosfera conserva una forte additività dei segnali, mentre la troposfera inferiore tende a trasformarli attraverso processi dinamici regionali. In tale configurazione, La Niña e WQBO tendono inoltre ad agire nella stessa direzione sul vortice polare, favorendo una circolazione occidentale più intensa. La risposta su grande scala può quindi risultare particolarmente coerente e relativamente facile da ricostruire mediante la somma lineare.
Il confronto tra le quattro configurazioni porta a una conclusione fondamentale: non esiste un unico grado di non linearità ENSO–QBO valido per tutta l’atmosfera. Il comportamento dipende simultaneamente dalla fase ENSO, dalla fase QBO, dalla quota, dalla regione e dalla scala spaziale dell’analisi. Questo è esattamente il motivo per cui studi apparentemente discordanti possono in realtà essere compatibili. Wang et al. trovano una fortissima linearità nella stratosfera; Calvo et al. hanno identificato non linearità nella tempistica della risposta del vortice; Garfinkel e Hartmann hanno individuato una modulazione troposferica regionale; Ma et al. hanno mostrato una marcata non linearità nel Nord Atlantico. Questi risultati descrivono aspetti diversi dello stesso sistema.
Il lavoro di Ma et al. è particolarmente utile per interpretare la Figura 3. Gli autori mostrano che durante El Niño la teleconnessione della QBO con il Nord Atlantico si realizza principalmente attraverso una via subtropicale, mediante modificazioni del jet che alterano la propagazione delle onde di Rossby; durante La Niña prevale invece una via polare attraverso le anomalie del vortice stratosferico e la loro influenza discendente. Se il percorso dinamico cambia con lo stato ENSO, una risposta quasi identica nella media zonale può produrre configurazioni molto differenti in una specifica longitudine. La maggiore distanza tra curve continue e tratteggiate nella Figura 3 può quindi essere letta come un’indicazione indiretta dell’importanza dei percorsi longitudinali delle teleconnessioni.
Un ruolo cruciale è svolto anche dagli inserti dedicati all’Asia orientale. Rispetto all’intero emisfero settentrionale, la variabilità verticale delle correlazioni diventa molto più pronunciata. In alcuni casi, valori molto elevati su scala emisferica vengono sostituiti da minimi decisamente più marcati quando l’analisi è limitata alla regione asiatica. Questo risultato possiede un significato climatologico profondo: la linearità apparente aumenta con l’ampiezza spaziale sulla quale si effettua la media, poiché anomalie positive e negative regionali possono compensarsi o essere assorbite nella struttura su grande scala.
L’Asia orientale è particolarmente sensibile a questo problema perché si trova nella regione in cui il jet subtropicale invernale raggiunge una delle sue massime intensità. Le modificazioni ENSO della convezione tropicale, le anomalie QBO dell’alta troposfera e della bassa stratosfera, la variabilità del monsone invernale asiatico e l’attività delle onde planetarie interagiscono tutte in prossimità di questa regione. Una variazione relativamente piccola della latitudine del jet può produrre una riorganizzazione importante delle anomalie termiche e delle precipitazioni sulla Cina, sulla Corea, sul Giappone e sul Pacifico nordoccidentale. Di conseguenza, non sorprende che la linearità regionale sia inferiore rispetto a quella emisferica.
Questa differenza fra scala globale e regionale è anche una delle ragioni per cui la prevedibilità stagionale non può essere valutata esclusivamente attraverso l’abilità nel prevedere ENSO o QBO. Entrambi i fenomeni sono relativamente prevedibili con diversi mesi di anticipo: ENSO grazie alla memoria termica dell’oceano tropicale e QBO grazie alla lenta discesa dei suoi regimi di vento. Tuttavia, la traduzione di questa prevedibilità in una specifica previsione regionale richiede che il modello rappresenti correttamente la risposta dei jet, la propagazione delle onde, il vortice polare e i feedback troposferici. Gli esperimenti QBOi hanno evidenziato proprio quanto la qualità delle teleconnessioni dipenda dalla capacità del modello di riprodurre una QBO sufficientemente realistica e le corrette condizioni di fondo.
Un altro elemento molto importante della Figura 3 è il confronto fra ERA5 e CMIP6. Le curve modellistiche appaiono frequentemente più regolari e presentano correlazioni superiori rispetto alla rianalisi, soprattutto nei livelli in cui ERA5 mostra forti diminuzioni. Questo comportamento può essere interpretato almeno in parte come una conseguenza delle differenti caratteristiche statistiche dei due dataset. ERA5 rappresenta una singola realizzazione storica del sistema atmosferico, contenente tutta la variabilità interna effettivamente verificatasi tra il 1950 e il 2023. I modelli, soprattutto quando vengono combinati in ensemble o utilizzati su periodi più lunghi, consentono invece di ridurre maggiormente il rumore interno e di isolare la componente sistematica associata a ENSO e QBO.
Ne consegue che un segnale lineare di fondo può risultare più chiaramente visibile nei modelli. Tuttavia, questa spiegazione non deve trasformarsi automaticamente nell’idea che una maggiore correlazione modellistica equivalga necessariamente a una maggiore accuratezza fisica. Un modello potrebbe anche mostrare una risposta eccessivamente lineare se sottostimasse la variabilità dei jet, dei blocchi o delle teleconnessioni regionali. Per questo la scelta di Wang et al. di utilizzare soltanto i modelli CMIP6 con maggiore capacità nel rappresentare ENSO e QBO assume particolare importanza. Il loro lavoro precedente aveva dimostrato che la qualità della simulazione delle teleconnessioni deve essere valutata prima di utilizzare i modelli per diagnosticare la linearità combinata.
La maggiore variabilità di ERA5 può dipendere anche dalla limitata numerosità degli eventi congiunti. In circa sette decenni di rianalisi, il numero di inverni appartenenti a ciascuna delle quattro configurazioni ENSO–QBO rimane inevitabilmente ridotto. Ciò significa che uno o due inverni caratterizzati da anomalie eccezionali possono modificare sensibilmente il composito. La stessa difficoltà di separare ENSO e QBO nel record osservativo è stata recentemente sottolineata dagli esperimenti QBOi, i cui autori hanno utilizzato SST idealizzate ripetute ogni anno proprio per eliminare l’aliasing e isolare meglio le rispettive teleconnessioni. La Figura 3 mostra quindi contemporaneamente il segnale fisico e i limiti inevitabili della statistica osservativa.
Un ulteriore aspetto merita di essere sottolineato: una riduzione della correlazione non implica necessariamente che il segnale ENSO–QBO congiunto diventi completamente differente dalla somma lineare. Una correlazione inferiore può derivare da diversi tipi di deviazione. L’intero pattern può essere traslato geograficamente; una singola regione può presentare un’anomalia molto più intensa; una cresta può dividersi in due centri; oppure una parte del pattern può invertire segno. Il coefficiente comprime tutte queste possibilità in un unico numero. Per comprendere la fisica è quindi indispensabile interpretarlo congiuntamente alle mappe delle anomalie, al geopotenziale e ai flussi di attività ondulatoria.
Questo principio è particolarmente importante per El Niño–EQBO. La diminuzione troposferica del coefficiente potrebbe essere interpretata superficialmente come una “scomparsa” del segnale lineare. In realtà, le mappe mostrano che gran parte della struttura ENSO rimane riconoscibile. Ciò che cambia è la distribuzione regionale, soprattutto nel Nord Pacifico, nel Nord America e nell’Artico. È quindi più corretto parlare di ristrutturazione del segnale lineare da parte della dinamica troposferica che di completa sostituzione con un nuovo pattern.
La crescente non linearità verso il basso può essere compresa attraverso la progressiva aggiunta di gradi di libertà dinamici. Nella stratosfera, le anomalie su grande scala sono fortemente condizionate dal vento zonale medio, dal vortice polare, dalla QBO e dalla propagazione delle onde planetarie. La circolazione è relativamente più zonale e la topografia e i contrasti superficiali esercitano un’influenza indiretta. Nell’alta troposfera, invece, entrano in gioco i jet subtropicali e le storm track. Scendendo ulteriormente, l’orografia, i contrasti terra–oceano, il manto nevoso, il ghiaccio marino e i flussi turbolenti superficiali possono amplificare o modificare regionalmente la risposta.
L’Artico costituisce probabilmente l’esempio più evidente di tale processo. La temperatura superficiale artica è estremamente sensibile alla copertura del ghiaccio marino, ai flussi di calore oceanico, alla nuvolosità e all’avvezione delle masse d’aria. Una piccola modifica della circolazione può quindi produrre anomalie termiche molto grandi. È per questo che, nella Figura 1, alcune delle maggiori discrepanze fra risposta congiunta e somma lineare compaiono nei mari di Barents e Kara. La Figura 3 generalizza questo risultato mostrando che la perdita di corrispondenza aumenta procedendo verso i livelli inferiori dell’atmosfera.
La forte linearità della stratosfera possiede invece notevoli implicazioni per la prevedibilità del vortice polare. Se ENSO e QBO esercitassero una risposta fortemente non lineare già nella stratosfera, sarebbe molto difficile dedurre l’effetto combinato conoscendo separatamente lo stato del Pacifico tropicale e quello della QBO. I risultati di Wang et al. indicano invece che, almeno nella media stagionale, una parte molto consistente della risposta stratosferica può essere ricostruita in maniera relativamente semplice. Il lavoro del 2024 degli stessi autori e quello del 2026 convergono proprio su questo punto.
Tale conclusione deve però essere distinta dalla previsione di eventi estremi stratosferici. Un Sudden Stratospheric Warming, ad esempio, rappresenta un evento fortemente non lineare e dipende dall’evoluzione di specifiche onde planetarie. Sapere che El Niño ed EQBO tendono mediamente a indebolire il vortice non significa che la loro combinazione determini automaticamente un SSW. La Figura 3 descrive la struttura media termica della stagione, non la probabilità deterministica di una transizione improvvisa del vortice.
Gli esperimenti QBOi del 2025 sono particolarmente utili anche a questo proposito perché mostrano che la modulazione ENSO della teleconnessione QBO non è perfettamente uniforme fra modelli e che il collegamento QBO–vortice viene mediamente sottostimato rispetto alle osservazioni. La robustezza della forte correlazione stratosferica nella Figura 3 deve quindi essere interpretata come evidenza della predominanza dell’additività all’interno dell’ensemble selezionato, non come prova che tutti i modelli climatici rappresentino allo stesso modo le interazioni ENSO–QBO.
La Figura 3 introduce inoltre un concetto utile per interpretare le teleconnessioni climatiche in generale: la distinzione tra linearità di ampia scala e non linearità locale. È possibile che l’intera struttura emisferica risulti quasi perfettamente riconducibile alla somma dei due forcing e, allo stesso tempo, che una singola regione sperimenti una risposta molto diversa. Questa apparente contraddizione è in realtà una conseguenza naturale della dinamica atmosferica. La media emisferica privilegia i pattern più persistenti e coerenti, mentre la scala regionale è molto più sensibile alla fase delle onde e alla posizione dei jet.
Le teleconnessioni ENSO sono un esempio classico. Il forcing convettivo tropicale produce una sorgente di onde di Rossby, ma il punto in cui queste onde raggiungono le alte latitudini dipende dalla guida d’onda offerta dal getto. Una variazione di pochi metri al secondo del vento zonale può modificare il percorso delle onde e quindi spostare un centro di anomalia su un continente differente. La QBO è in grado di influire proprio sui venti dell’alta troposfera e della bassa stratosfera, rendendola un modulatore potenzialmente efficace delle teleconnessioni ENSO anche quando la sua anomalia superficiale diretta è debole.
Il lavoro di Ma et al. offre un esempio particolarmente chiaro: durante El Niño la QBO agisce attraverso cambiamenti del jet subtropicale e delle onde di Rossby dirette verso l’Atlantico, mentre durante La Niña acquista maggiore importanza il percorso discendente dal vortice polare. La Figura 3 può essere letta come una sintesi verticale di questo principio: laddove domina la struttura zonale del vortice, la risposta è fortemente lineare; dove acquistano importanza i percorsi longitudinali e regionali delle onde, il coefficiente diminuisce.
Da un punto di vista metodologico, la figura dimostra anche il valore di combinare rianalisi e modelli. ERA5 fornisce il riferimento osservativo dinamicamente coerente, mentre i modelli CMIP6 permettono di aumentare la numerosità campionaria e di verificare se il risultato sia riproducibile. Gli esperimenti idealizzati QBOi rappresentano un terzo livello di evidenza, perché consentono di controllare direttamente la fase ENSO attraverso SST prescritte. L’accordo complessivo tra questi diversi approcci rafforza l’idea che la predominanza della linearità stratosferica sia una caratteristica reale, mentre le discrepanze troposferiche indicano l’esistenza di processi regionali più complessi.
La Figura 3 assume quindi una particolare importanza per la previsione stagionale. ENSO e QBO sono entrambi fenomeni relativamente prevedibili rispetto al caos meteorologico quotidiano. Se la risposta atmosferica di grande scala è quasi additiva, i centri previsionali possono utilizzare le informazioni su entrambi come sorgenti relativamente indipendenti di prevedibilità per la stratosfera e per alcune caratteristiche della troposfera tropicale. Ma la diminuzione della correlazione verso la superficie mostra perché questa prevedibilità non si traduca automaticamente in un’elevata skill regionale. La catena causale può essere prevedibile nei suoi primi passaggi e diventare progressivamente più incerta man mano che il segnale interagisce con la dinamica troposferica.
In termini concettuali, si può quindi interpretare la Figura 3 come una rappresentazione di un gradiente verticale di prevedibilità dinamica. Nella stratosfera, dove le configurazioni congiunte conservano quasi perfettamente il pattern lineare, conoscere ENSO e QBO fornisce una buona descrizione dello stato medio atteso. Nell’alta troposfera l’informazione rimane significativa, ma iniziano a emergere differenze fra modelli e combinazioni. Nella troposfera inferiore la componente regionale e la variabilità interna acquisiscono un peso maggiore, riducendo la capacità della semplice sovrapposizione di prevedere il pattern finale.
Non bisogna però confondere questo gradiente con una misura diretta della prevedibilità operativa. La correlazione mostrata nella figura è una diagnostica retrospettiva dei compositi e non una misura della skill di un sistema previsionale inizializzato. Essa indica quanto il comportamento medio sia ricostruibile dai segnali individuali, non quanto accuratamente un modello possa prevedere un determinato inverno reale. Tuttavia, dal punto di vista fisico fornisce un’indicazione importante sulla potenziale fonte di prevedibilità e su dove questa venga maggiormente erosa dalla dinamica interna.
Nel complesso, la Figura 3 rappresenta quindi una delle prove più convincenti della natura “limitata” della non linearità richiamata già nel titolo dello studio. La non linearità esiste ed è climatologicamente importante, ma non domina uniformemente l’intera colonna atmosferica. Al contrario, la risposta ENSO–QBO rimane straordinariamente lineare nella stratosfera, conserva una forte componente additiva nell’alta troposfera e diventa progressivamente più dipendente da interazioni regionali procedendo verso i livelli inferiori. El Niño–EQBO emerge come una delle configurazioni più sensibili alla perdita di linearità troposferica, mentre El Niño–WQBO e molte configurazioni La Niña mantengono una maggiore corrispondenza con la previsione additiva su gran parte della colonna.
La maggiore correlazione delle medie zonali rispetto ai campi completi mostra inoltre che la non linearità è in larga misura una proprietà della distribuzione longitudinale. Non è necessariamente il segnale emisferico a essere radicalmente trasformato, quanto piuttosto la posizione delle anomalie, il percorso delle onde e l’organizzazione regionale dei centri di circolazione. Questo risultato è in piena coerenza con studi che mostrano una forte dipendenza delle teleconnessioni QBO dallo stato ENSO e dai percorsi subtropicali o polari attraverso cui il segnale viene trasmesso.
Il significato scientifico più profondo della Figura 3 consiste pertanto nel dimostrare che la domanda “gli effetti ENSO e QBO sono lineari o non lineari?” è troppo semplice. La risposta dipende dalla quota, dalla scala spaziale, dalla regione e dalla configurazione dei due fenomeni. Su scala stratosferica e zonale, la risposta è quasi perfettamente additiva; nella troposfera regionale, soprattutto vicino alla superficie, la componente non lineare può diventare molto più importante. Il lavoro di Wang et al. introduce quindi una visione più articolata delle teleconnessioni tropicali: ENSO e QBO conservano una forte identità dinamica individuale nella stratosfera, ma le loro firme vengono progressivamente rielaborate dai jet, dalle onde e dalla variabilità interna durante il trasferimento verso il basso. È proprio questa trasformazione verticale, dalla relativa semplicità della risposta stratosferica alla crescente complessità della troposfera regionale, a costituire il messaggio centrale della Figura 3 e uno dei risultati più importanti dell’intero studio.
4.2. Evidenze modellistiche della linearità dell’impatto di ENSO e QBO
La quantificazione della linearità dell’impatto combinato di El Niño–Southern Oscillation e della Quasi-Biennial Oscillation costituisce uno degli aspetti più rilevanti dello studio, perché permette di affrontare in modo esplicito una questione che per molti anni è rimasta aperta nella letteratura sulla variabilità stratosferica e sull’accoppiamento stratosfera–troposfera: quando ENSO e QBO agiscono contemporaneamente, la risposta atmosferica può essere interpretata come la semplice somma dei loro effetti individuali oppure l’interazione fra i due fenomeni genera una configurazione dinamica sostanzialmente nuova? La Figura 3 affronta direttamente questo problema confrontando, a ogni livello atmosferico, le anomalie di temperatura prodotte dalle quattro configurazioni ENSO–QBO congiunte con quelle ricostruite mediante la sovrapposizione lineare dei segnali ENSO e QBO puri. L’utilizzo della correlazione spaziale permette di valutare quanto la geometria del pattern effettivamente osservato o simulato assomigli alla struttura prevista dalla semplice addizione dei due contributi. I risultati rivelano un quadro estremamente interessante: la risposta è fortemente lineare nella stratosfera media, mentre la somiglianza con la previsione lineare tende a diminuire procedendo sia verso la stratosfera superiore sia, soprattutto, verso la troposfera. Questa transizione verticale rappresenta uno dei risultati più importanti dell’intero lavoro, perché dimostra che il grado di linearità degli effetti ENSO–QBO non costituisce una proprietà uniforme dell’atmosfera, ma varia sensibilmente con la quota e con la regione geografica considerata.
Il concetto di linearità utilizzato dagli autori richiede una precisazione fondamentale. Un’elevata correlazione spaziale tra il composito dell’evento congiunto e la somma dei segnali individuali non significa che i processi fisici che regolano l’atmosfera siano lineari. La dinamica atmosferica è intrinsecamente caratterizzata da interazioni non lineari: le onde di Rossby interagiscono con il flusso medio, la loro propagazione dipende dalla distribuzione dei venti, il wave breaking modifica a sua volta la circolazione sulla quale le onde si propagano, mentre la convezione tropicale risponde in maniera non lineare alla temperatura superficiale marina e alla stabilità atmosferica. La linearità diagnosticata dallo studio deve pertanto essere interpretata come una proprietà emergente del campo climatico medio: nonostante la presenza di processi non lineari, l’anomalia complessiva risultante dalla presenza simultanea di ENSO e QBO può essere, in determinate regioni e quote, molto simile alla somma delle due risposte considerate separatamente.
Questa distinzione permette di comprendere perché risultati apparentemente contrastanti della letteratura possano in realtà essere compatibili. Calvo et al. avevano mostrato già nel 2009, mediante esperimenti con MAECHAM5, che la fase della QBO può modificare significativamente la risposta del vortice polare a un forte El Niño. In particolare, la tempistica dell’indebolimento e del riscaldamento del vortice risultava dipendente dalla fase QBO e, in alcune fasi dell’inverno, la combinazione El Niño–EQBO mostrava caratteristiche non riconducibili a una semplice addizione. Gli autori interpretarono tale comportamento come il risultato della combinazione tra le modificazioni del flusso di fondo associate alla QBO e quelle della propagazione e dissipazione delle onde extratropicali prodotte da El Niño. Questi risultati non sono incompatibili con la forte linearità identificata da Wang et al., perché Calvo et al. analizzavano l’evoluzione temporale di specifiche configurazioni e di un forte evento ENSO, mentre Wang e collaboratori considerano la struttura media stagionale ottenuta da un insieme di eventi dopo aver cercato di isolare statisticamente i segnali puri. Una risposta può quindi essere non lineare nella sua evoluzione temporale ma apparire quasi additiva quando viene mediata sull’intero inverno.
La robustezza della linearità stratosferica era già emersa nei precedenti lavori degli stessi Wang et al. In uno studio basato sulle osservazioni e sulle rianalisi, gli autori avevano suddiviso gli inverni nelle quattro configurazioni El Niño–EQBO, El Niño–WQBO, La Niña–EQBO e La Niña–WQBO e avevano confrontato la risposta del vortice polare con la somma dei segnali ENSO e QBO depurati dall’interferenza reciproca. La conclusione principale era che la risposta congiunta nell’Artico stratosferico risultava prevalentemente riconducibile a una sovrapposizione lineare. Il successivo lavoro basato su 18 modelli CMIP5 e CMIP6 capaci di produrre una QBO ha ulteriormente rafforzato tale interpretazione, mostrando che i modelli con migliore capacità di riprodurre le teleconnessioni ENSO e QBO simulano anch’essi una risposta stratosferica fortemente additiva. La Sezione 4.2 estende quindi questo concetto dalla sola circolazione del vortice alla struttura verticale della temperatura atmosferica, mostrando dove la forte additività della stratosfera comincia progressivamente a deteriorarsi.
La Figura 3 rivela che la stratosfera media rappresenta la regione in cui la linearità raggiunge generalmente i valori più elevati, sia nelle rianalisi ERA5 sia nei modelli CMIP6 ad alta capacità. Questo comportamento possiede una significativa plausibilità dinamica. Nella stratosfera invernale dell’emisfero settentrionale, la risposta a ENSO e QBO è dominata da strutture su grande scala relativamente organizzate. ENSO modifica la propagazione delle onde planetarie dalla troposfera verso la stratosfera attraverso la riorganizzazione della convezione tropicale e delle teleconnessioni extratropicali; la QBO modifica invece direttamente la distribuzione verticale e meridionale dei venti stratosferici, alterando le condizioni attraverso le quali le onde planetarie possono raggiungere il vortice polare. I due meccanismi sono fisicamente differenti ma convergono sulla stessa grande struttura dinamica, il vortice polare. Se i loro contributi rimangono in larga misura separabili nella media stagionale, il campo termico risultante può essere ricostruito con grande precisione mediante la loro somma.
La QBO costituisce un caso particolarmente interessante perché la sua teleconnessione con il vortice polare, nota come relazione Holton–Tan, è robustamente documentata ma presenta anche notevoli variazioni di ampiezza. Gli esperimenti coordinati della QBO Initiative hanno mostrato che i modelli capaci di generare internamente una QBO tendono generalmente a riprodurre un vortice più debole durante EQBO e più forte durante WQBO, sebbene l’ampiezza della teleconnessione sia spesso inferiore rispetto alle osservazioni. Anstey et al. hanno sottolineato che una parte di questa sottostima è collegata alla debolezza della QBO simulata nella bassa stratosfera, regione cruciale per il collegamento con le alte latitudini. Questo risultato è particolarmente importante per interpretare la Figura 3: la forte linearità osservata nell’ensemble selezionato da Wang et al. assume maggiore significato proprio perché i modelli utilizzati sono stati scelti sulla base della loro capacità di rappresentare adeguatamente le teleconnessioni QBO ed ENSO.
La diminuzione della linearità nella stratosfera superiore è anch’essa interessante. La regione superiore della stratosfera è maggiormente influenzata dalla propagazione e dissipazione delle onde e dall’interazione fra circolazione stratosferica e mesosferica. Inoltre, la QBO stessa presenta una struttura verticale nella quale i regimi di vento di segno opposto si sovrappongono, e la risposta delle onde può variare notevolmente con la quota. Una riduzione moderata della correlazione nella parte più alta della stratosfera non implica pertanto una perdita generalizzata dell’additività, ma può riflettere una maggiore sensibilità del campo termico alle differenze verticali nella propagazione ondulatoria e alla rappresentazione modellistica dei processi della stratosfera superiore. La parte più significativa della transizione, tuttavia, avviene nella direzione opposta, al di sotto della tropopausa.
Il caso El Niño–EQBO rappresenta l’esempio più evidente. ERA5 mostra una brusca diminuzione della correlazione al di sotto della tropopausa sia per il campo completo delle anomalie sia per la componente mediata zonalmente. Questa caratteristica significa che la struttura termica troposferica prodotta dalla concomitanza di El Niño e QBO orientale non può essere completamente ricostruita sommando semplicemente le due risposte individuali. La non linearità diventa quindi una componente relativamente più importante della risposta complessiva. Tale comportamento emerge anche nei modelli, sebbene questi mantengano valori di correlazione generalmente superiori a quelli di ERA5.
La configurazione El Niño–EQBO è dinamicamente particolare perché entrambe le forzanti tendono, in media, a favorire un vortice polare più debole, ma raggiungono questo risultato attraverso meccanismi differenti. El Niño modifica le sorgenti troposferiche delle onde planetarie e tende ad aumentare il forcing ondulatorio diretto verso la stratosfera, mentre EQBO modifica il vento tropicale e subtropicale e le condizioni di propagazione delle onde, favorendo climatologicamente una risposta Holton–Tan caratterizzata da un vortice più debole e caldo. La forte additività stratosferica indica che questi due contributi possono sommarsi in maniera sorprendentemente regolare quando viene considerata la struttura media stagionale. La successiva perdita di linearità troposferica dimostra però che la discesa del segnale verso la superficie non consiste in una semplice propagazione verticale passiva.
È proprio in questo passaggio che intervengono i feedback troposferici. Una perturbazione stratosferica può modificare il jet extratropicale, ma la risposta finale dipende dall’interazione tra il jet e gli eddies sinottici. Le onde troposferiche possono rafforzare una piccola anomalia iniziale oppure contrastarla, spostando la posizione del getto e modificando le storm track. Inoltre, nella bassa troposfera entrano in gioco l’orografia, i contrasti termici terra–oceano, il manto nevoso, il ghiaccio marino e i flussi di calore superficiali. Il numero di processi in grado di rielaborare la perturbazione aumenta quindi progressivamente procedendo dalla stratosfera verso il suolo. Una risposta inizialmente quasi perfettamente additiva può così generare anomalie regionali molto differenti rispetto alla somma lineare.
Questo concetto è particolarmente coerente con il lavoro di Ma et al. sul Nord Atlantico. Gli autori hanno mostrato che ENSO e QBO interagiscono in maniera non lineare nella circolazione invernale perché il percorso della teleconnessione QBO dipende dallo stato ENSO. Durante El Niño domina maggiormente una via subtropicale, associata a modificazioni del jet subtropicale tra Pacifico e Atlantico e a una diversa propagazione delle onde di Rossby; durante La Niña assume invece maggiore importanza una via polare mediata dalle variazioni del vortice stratosferico e dalla loro influenza discendente sulla troposfera. Questa distinzione aiuta a comprendere perché una risposta stratosferica molto lineare possa tradursi in una risposta troposferica non lineare: la struttura del vortice può essere quasi esattamente quella prevista dalla somma dei segnali, ma il modo in cui tale perturbazione viene trasformata dal jet e dalle onde regionali dipende dallo stato della troposfera.
La differenza fra campo totale e anomalie mediate zonalmente fornisce un’ulteriore prova di questo meccanismo. Nella maggior parte delle configurazioni, le correlazioni delle medie zonali risultano superiori a quelle dei campi completi. Ciò significa che la componente meridionale e verticalmente organizzata del segnale ENSO–QBO rimane particolarmente lineare, mentre la parte longitudinale mostra maggiori deviazioni. Da un punto di vista dinamico, questo risultato è estremamente significativo. La media zonale tende infatti a eliminare gran parte delle strutture associate ai treni di onde di Rossby, alle creste e alle saccature, ai centri barici e alle differenze fra continenti e oceani. Se la media zonale conserva una correlazione molto elevata mentre il campo totale presenta valori inferiori, la non linearità deve essere ricercata soprattutto nella riorganizzazione della fase e del percorso delle onde planetarie.
Questa interpretazione è pienamente coerente con gli studi sulla modulazione QBO delle teleconnessioni ENSO. Garfinkel e Hartmann hanno mostrato che la fase della QBO può modificare la risposta del Nord Pacifico a El Niño attraverso cambiamenti del flusso di fondo e del jet subtropicale. In una configurazione di questo tipo, non è necessario che il segnale QBO produca una grande anomalia diretta della temperatura: una piccola variazione del vento può modificare la guida d’onda lungo la quale si propaga la perturbazione ENSO, spostando longitudinalmente una cresta o una saccatura. La media zonale può rimanere pressoché invariata mentre il clima di regioni specifiche cambia notevolmente. È proprio una dinamica di questo genere che può spiegare la differenza tra le elevate correlazioni zonali della Figura 3 e le correlazioni inferiori del campo completo.
La riduzione della linearità è inoltre molto più evidente quando l’analisi viene ristretta all’Asia orientale. Questo rappresenta uno dei risultati metodologicamente più istruttivi della figura. Una correlazione molto alta su scala emisferica non implica necessariamente che la risposta sia altrettanto lineare in ogni regione. La media su un dominio molto ampio enfatizza le strutture climatiche più coerenti e riduce relativamente l’importanza degli spostamenti regionali. Quando il dominio viene ristretto, anche una piccola traslazione di un centro termico o del jet può produrre una forte diminuzione della correlazione.
L’Asia orientale è particolarmente sensibile a questo problema perché ospita uno dei jet subtropicali invernali più intensi del pianeta ed è contemporaneamente influenzata dalla convezione tropicale, dal monsone invernale, dalle onde provenienti dal Pacifico e dalla circolazione stratosferica. La regione rappresenta quindi un ambiente nel quale una modesta modifica della struttura del vento può tradursi in una differenza molto più grande della temperatura regionale. Nel caso El Niño–EQBO, ERA5 mostra proprio nella media troposfera dell’Asia orientale la più debole linearità. I modelli, al contrario, presentano una struttura generalmente più regolare, suggerendo che la risposta regionale reale contenga una componente di variabilità interna più difficile da riprodurre mediante la semplice sovrapposizione.
La differenza tra ERA5 e modelli deve essere interpretata con una certa cautela. Un motivo importante è la numerosità del campione. La rianalisi rappresenta una singola realizzazione storica dell’atmosfera e, nonostante il periodo 1950–2023 sia considerevolmente lungo, il numero degli inverni appartenenti a ciascuna delle quattro categorie ENSO–QBO rimane relativamente ridotto. I compositi osservativi possono quindi essere influenzati da singoli inverni caratterizzati da un’anomala attività ondulatoria, da un forte SSW o da particolari configurazioni del ghiaccio marino. Le simulazioni climatiche consentono invece di disporre di campioni più ampi e l’ensemble multimodello riduce una parte della variabilità interna, facendo emergere più chiaramente la risposta sistematica.
D’altra parte, una maggiore linearità modellistica non deve essere automaticamente interpretata come una rappresentazione più accurata della realtà. È possibile che alcuni modelli sottostimino la variabilità regionale, il wave breaking o i feedback tra eddies e jet e producano quindi una risposta artificialmente più regolare. Gli esperimenti QBOi sono illuminanti a questo proposito: il più recente ensemble multimodello con esperimenti ENSO idealizzati mostra che il legame tra QBO e vortice polare viene riprodotto solo parzialmente da numerosi modelli e che l’ampiezza della teleconnessione è spesso inferiore a quella osservata. Gli autori attribuiscono una parte di questa debolezza alla rappresentazione troppo modesta della QBO nella bassa stratosfera. Ciò significa che la capacità di simulare un’elevata linearità deve essere valutata insieme alla capacità di rappresentare correttamente l’ampiezza dei singoli segnali.
Gli esperimenti QBOi del 2025 rappresentano comunque un importante supporto alla metodologia di Wang et al. perché affrontano direttamente uno dei maggiori problemi delle analisi osservative ENSO–QBO: l’aliasing statistico fra i due fenomeni. Naoe e collaboratori hanno utilizzato nove modelli con SST prescritte corrispondenti a condizioni idealizzate e ripetute di El Niño e La Niña, confrontandole con un esperimento ENSO-neutrale. In questo modo è possibile separare molto più chiaramente la modulazione ENSO della teleconnessione QBO senza dipendere dalla casuale successione storica degli eventi. Il fatto che anche tali esperimenti identifichino una dipendenza delle teleconnessioni QBO dallo stato ENSO conferma che le interazioni esistono realmente, ma non implica necessariamente che esse dominino il campo medio stagionale. È proprio questa distinzione fra esistenza dell’interazione e peso quantitativo della componente non lineare a costituire uno dei contributi più importanti del lavoro di Wang et al.
La configurazione El Niño–WQBO mostra infatti che un sistema può contenere interazioni dinamiche significative mantenendo al tempo stesso una risposta termica largamente lineare. In questa combinazione, le correlazioni superano generalmente 0,7 lungo quasi tutta la colonna e sono spesso molto più elevate. La QBO occidentale tende a rafforzare il vortice polare, mentre El Niño tende mediamente a indebolirlo. I due segnali possono quindi compensarsi parzialmente nella stratosfera. Se tale compensazione avviene quasi linearmente, la struttura finale rimane molto simile alla somma delle due anomalie individuali.
Il fatto che El Niño–WQBO possa mostrare una forte linearità del campo termico non contraddice gli studi che rilevano una teleconnessione troposferica modificata dalla QBO. Il pattern correlation misura la somiglianza della distribuzione spaziale complessiva e può rimanere elevato anche se l’ampiezza di una determinata regione viene amplificata. Una risposta PNA più forte o un jet subtropicale leggermente spostato possono quindi rappresentare una differenza dinamicamente significativa senza necessariamente ridurre drasticamente la correlazione dell’intero emisfero.
Le combinazioni La Niña–EQBO e La Niña–WQBO mostrano anch’esse valori di correlazione superiori a 0,7 nella maggior parte dei livelli e una corrispondenza particolarmente elevata per le medie zonali. Questa maggiore stabilità è coerente con la conclusione secondo cui le configurazioni La Niña–QBO mostrano, in molte regioni, una risposta più facilmente riconducibile alla sovrapposizione lineare. Tuttavia, gli esperimenti QBOi hanno evidenziato che lo stato ENSO può modificare sensibilmente la relazione Holton–Tan e che la risposta QBO del vortice può risultare differente fra condizioni El Niño, La Niña e neutrali. Anche qui, quindi, la forte correlazione non implica indipendenza fisica completa.
Un ulteriore contributo dei recenti esperimenti QBOi riguarda la stessa evoluzione della QBO. Un lavoro dedicato al disegno degli esperimenti e alla modulazione ENSO della QBO ha mostrato che nei nove modelli analizzati il periodo della QBO tende sistematicamente a essere più lungo durante La Niña rispetto a El Niño, in accordo qualitativo con le evidenze osservazionali. L’ampiezza della risposta varia notevolmente tra i modelli, ma il segno della differenza nel periodo è robusto. Ciò dimostra che ENSO non modifica soltanto le teleconnessioni della QBO verso l’esterno: può influenzare anche le caratteristiche dell’oscillazione equatoriale stessa. La relazione ENSO–QBO è quindi bidirezionale e più complessa di una semplice combinazione di due sorgenti completamente indipendenti.
Questa evidenza rende ancora più interessante il fatto che Wang et al. trovino una forte additività del campo termico. Significa che l’atmosfera può contenere un insieme di interazioni fisiche reciproche e tuttavia produrre, quando mediata nel tempo e nello spazio, una risposta sorprendentemente vicina alla sovrapposizione lineare. È un esempio importante di come la complessità microscopica dei processi non implichi necessariamente una complessità altrettanto grande nella risposta climatologica macroscopica.
La variazione verticale della linearità può essere letta quindi come una sorta di gradiente della complessità dinamica. Nella stratosfera media prevalgono strutture su grande scala fortemente organizzate: QBO, vortice polare, circolazione meridionale e onde planetarie. Qui le forzanti ENSO e QBO mantengono una notevole separabilità statistica. Avvicinandosi alla tropopausa aumenta l’importanza dei jet subtropicali e delle interazioni fra onde e flusso medio. Nella troposfera aumentano ulteriormente la variabilità sinottica, le storm track e i blocchi. Infine, nella bassa troposfera entrano direttamente in gioco la superficie terrestre, gli oceani, la neve e il ghiaccio marino. A ogni livello aggiuntivo il segnale può essere filtrato, deviato, amplificato o smorzato.
La regione della tropopausa assume in questo contesto una particolare importanza. La QBO modifica temperatura, stabilità e shear della bassa stratosfera tropicale, mentre ENSO modifica convezione e circolazione nell’alta troposfera. La Upper Troposphere–Lower Stratosphere rappresenta quindi una regione nella quale perturbazioni provenienti dall’alto e dal basso possono incontrarsi. È plausibile che proprio qui inizi a emergere una maggiore sensibilità alla configurazione specifica ENSO–QBO, anche se il segnale rimane generalmente molto lineare nella media stagionale.
Dal punto di vista della previsione stagionale, questi risultati sono estremamente rilevanti. ENSO e QBO costituiscono due delle principali fonti di prevedibilità oltre la scala meteorologica. ENSO possiede una notevole memoria grazie all’accoppiamento con l’oceano tropicale; la QBO evolve lentamente e può essere prevista con notevole anticipo. Anstey et al. hanno sottolineato che le teleconnessioni della QBO potrebbero contribuire significativamente alla skill delle previsioni stagionali e decadali, purché i modelli rappresentino correttamente i meccanismi che collegano la stratosfera tropicale al resto dell’atmosfera. La forte linearità della stratosfera mostrata da Wang et al. è quindi una proprietà favorevole alla prevedibilità: significa che, almeno per alcune caratteristiche della circolazione media, conoscere i segnali individuali può essere sufficiente per ottenere una buona approssimazione della risposta combinata.
La progressiva perdita di linearità troposferica introduce però un limite fondamentale. La capacità di prevedere lo stato medio del vortice polare non si traduce automaticamente nella capacità di prevedere la temperatura di una specifica regione europea, asiatica o nordamericana. Nel passaggio verso la superficie, l’informazione inizialmente prevedibile viene rielaborata da processi che possiedono una componente caotica molto più elevata. La Figura 3 fornisce quindi anche una possibile spiegazione fisica del cosiddetto signal-to-noise problem frequentemente riscontrato nelle previsioni stagionali: una sorgente di prevedibilità può essere robusta su grande scala, mentre la sua espressione regionale risulta molto più debole e variabile.
La differenza tra correlazione del campo totale e correlazione zonale è particolarmente rilevante in tale prospettiva. Se le medie zonali rimangono fortemente correlate, il modello può riprodurre correttamente la struttura emisferica e tuttavia sbagliare la posizione longitudinale dei centri d’azione. Per una previsione regionale, questo errore può risultare decisivo. Una cresta situata sull’Atlantico orientale invece che su quello centrale può cambiare completamente il segno dell’anomalia termica sull’Europa pur lasciando quasi inalterata la struttura zonalmente mediata.
La Sezione 4.2 offre quindi anche un importante messaggio metodologico: la valutazione della linearità ENSO–QBO deve essere effettuata simultaneamente su più scale spaziali. Limitarsi alla media zonale rischierebbe di sovrastimare la linearità della risposta rilevante per il clima regionale; limitarsi ai campi locali potrebbe invece sottostimare la sorprendente regolarità della struttura su grande scala. Gli autori risolvono questo problema analizzando entrambe le componenti e mostrando che la risposta è fortemente lineare nel senso zonale, ma più sensibile alla non linearità nella struttura longitudinale.
Questo quadro permette inoltre di comprendere perché l’Asia orientale mostri una linearità generalmente elevata ma non uniforme lungo la colonna. Il settore si trova in prossimità di un intenso jet subtropicale che funge da guida per le onde di Rossby. Una modesta variazione della QBO o del forcing ENSO può modificare la posizione o l’intensità del jet e quindi influenzare fortemente la risposta regionale. Tuttavia, quando tali variazioni vengono mediate su un ampio intervallo longitudinale, la struttura meridionale fondamentale rimane ancora ben descritta dalla somma lineare.
Nel complesso, la Sezione 4.2 mostra quindi che la relazione ENSO–QBO non può essere classificata semplicemente come lineare o non lineare. La componente lineare domina chiaramente nella stratosfera media e rimane importante in gran parte della troposfera, soprattutto quando si considerano campi mediati zonalmente. La componente non lineare aumenta invece avvicinandosi alla troposfera inferiore e nelle regioni in cui la circolazione è fortemente dipendente dalla posizione longitudinale dei jet e dei treni d’onda. El Niño–EQBO costituisce il caso più evidente di questa transizione, mentre le altre configurazioni conservano generalmente correlazioni superiori a 0,7 lungo gran parte della colonna atmosferica.
I risultati dei modelli CMIP6 rafforzano significativamente questa conclusione. Il fatto che ACCESS-CM2, HadGEM3-GC31-LL e UKESM1-0-LL riproducano la stessa struttura generale osservata in ERA5 indica che il gradiente verticale della linearità non è semplicemente una peculiarità della breve sequenza osservativa. Al tempo stesso, le correlazioni modellistiche generalmente superiori a quelle di ERA5 ricordano che la variabilità interna dell’atmosfera reale e la limitata numerosità degli eventi possono aumentare significativamente la componente apparentemente non lineare. Gli esperimenti QBOi più recenti mostrano inoltre che i modelli possiedono ancora difficoltà nel riprodurre pienamente l’ampiezza delle teleconnessioni QBO e che ENSO può modulare sia queste teleconnessioni sia la QBO stessa.
Il significato scientifico più profondo della sezione consiste dunque nell’aver trasformato una questione apparentemente dicotomica in un problema tridimensionale. La linearità dipende dalla quota, dalla latitudine, dalla longitudine, dalla scala spaziale e dalla specifica combinazione ENSO–QBO. Nella stratosfera media i due segnali conservano una sorprendente indipendenza e la loro sovrapposizione descrive molto bene la risposta congiunta; nella troposfera superiore l’additività rimane generalmente forte ma iniziano a comparire differenze; nella troposfera inferiore e su scala regionale i feedback interni dell’atmosfera producono deviazioni sempre più consistenti. Gli studi di Calvo et al., Ma et al., Anstey et al. e gli esperimenti QBOi non contraddicono questo risultato, ma ne chiariscono i meccanismi: le interazioni ENSO–QBO esistono realmente e possono essere importanti per la tempistica, la propagazione ondulatoria e le teleconnessioni regionali, pur rappresentando una parte relativamente limitata della risposta climatologica complessiva in stratosfera.
In definitiva, la Sezione 4.2 fornisce una delle dimostrazioni più convincenti dell’idea racchiusa nel titolo stesso dello studio: la non linearità degli effetti congiunti ENSO–QBO è reale, ma limitata e fortemente dipendente dalla regione atmosferica analizzata. La stratosfera conserva una risposta essenzialmente additiva; la troposfera tropicale mantiene ancora una notevole memoria di tale linearità; la troposfera extratropicale e regionale rielabora invece progressivamente il segnale attraverso jet, eddies, onde planetarie e feedback con la superficie. La transizione non rappresenta quindi una rottura improvvisa tra un’atmosfera “lineare” e una “non lineare”, ma un graduale aumento della complessità procedendo verso il basso. È proprio questo gradiente verticale della linearità a fornire una chiave interpretativa particolarmente efficace per comprendere perché ENSO e QBO possano offrire importanti fonti di prevedibilità per la stratosfera e, contemporaneamente, produrre risposte molto più incerte e regionalmente diversificate nelle condizioni meteorologiche prossime alla superficie.
5. Sintesi e discussione
La sintesi proposta da Wang, Rao, Guo, Liu e Lu costituisce un importante punto di convergenza tra due filoni di ricerca che, per molti anni, hanno prodotto risultati apparentemente contrastanti sul rapporto tra El Niño–Southern Oscillation e Quasi-Biennial Oscillation. Da un lato, numerosi studi osservativi e modellistici hanno mostrato che ENSO e QBO possiedono teleconnessioni individuali relativamente robuste con la circolazione invernale dell’emisfero settentrionale e, in particolare, con il vortice polare stratosferico. Dall’altro, diversi lavori hanno evidenziato che la contemporanea presenza dei due fenomeni può modificare la propagazione delle onde planetarie, la struttura del jet subtropicale, la configurazione Pacific–North American e la circolazione del Nord Atlantico in maniera non riconducibile a una semplice somma dei due segnali. Il contributo principale dello studio del 2026 consiste proprio nel riconciliare queste due prospettive, dimostrando che linearità e non linearità non sono proprietà mutuamente esclusive dell’interazione ENSO–QBO, ma dipendono fortemente dalla quota, dalla latitudine, dalla scala spaziale e dalla variabile atmosferica considerata. Nel complesso, la risposta combinata rimane sorprendentemente lineare nella stratosfera e nella troposfera tropicale, mentre la componente non lineare aumenta progressivamente nella troposfera regionale delle medie e soprattutto delle alte latitudini.
Questo risultato assume particolare rilievo perché ENSO e QBO rappresentano le principali modalità di variabilità interannuale, rispettivamente, della troposfera tropicale accoppiata all’oceano e della stratosfera tropicale. Esse hanno quindi origini fisiche molto differenti. ENSO deriva dall’interazione fra temperatura superficiale del Pacifico equatoriale, alisei, circolazione di Walker e convezione profonda, mentre la QBO nasce dall’interazione fra il flusso zonale stratosferico equatoriale e un ampio spettro di onde atmosferiche che trasportano quantità di moto verso l’alto. Nonostante queste differenze, entrambe possono influenzare il vortice polare e la circolazione extratropicale. ENSO modifica soprattutto le sorgenti troposferiche delle onde di Rossby e la loro propagazione verso la stratosfera; la QBO modifica invece direttamente il vento stratosferico tropicale e subtropicale, alterando l’ambiente attraverso il quale tali onde si propagano. È quindi fisicamente plausibile attendersi che la presenza di uno dei due fenomeni condizioni la risposta atmosferica all’altro.
La metodologia dello studio è stata progettata precisamente per affrontare questo problema. Gli autori non confrontano semplicemente gli inverni ENSO con quelli QBO, ma cercano prima di isolare i rispettivi segnali “puri” mediante regressione lineare. Il contributo della QBO viene rimosso dai compositi ENSO e, reciprocamente, quello di ENSO viene eliminato dai compositi QBO. Solo successivamente vengono costruite le somme lineari dei due segnali e confrontate con ciò che effettivamente avviene durante le quattro configurazioni El Niño–EQBO, El Niño–WQBO, La Niña–EQBO e La Niña–WQBO. Una procedura di questo tipo è particolarmente importante perché il record osservativo contiene inevitabilmente aliasing fra le due modalità: gli eventi ENSO non si distribuiscono perfettamente e casualmente rispetto alle fasi della QBO e viceversa. Gli esperimenti multimodello QBOi pubblicati nel 2025 hanno sottolineato proprio questa difficoltà e hanno utilizzato condizioni di SST idealizzate e ripetute di El Niño e La Niña per separare più nettamente le teleconnessioni QBO da quelle ENSO.
La regressione lineare impiegata da Wang et al. non elimina naturalmente tutta la complessità del sistema. Essa permette di ridurre la contaminazione di primo ordine tra i due segnali, ma non può separare perfettamente interazioni dipendenti dallo stato atmosferico, effetti di soglia o feedback non lineari che coinvolgano entrambe le modalità. Questa limitazione è in realtà funzionale allo scopo dello studio: una volta rimossi i contributi lineari concorrenti, ciò che differenzia il composito congiunto dalla somma dei segnali puri fornisce una misura della parte di risposta che non può essere spiegata mediante una semplice sovrapposizione. Il termine “non linearità” utilizzato dagli autori deve quindi essere inteso in questo senso statistico e climatologico, non come affermazione che le equazioni atmosferiche o i meccanismi onda–flusso siano lineari.
Uno dei risultati più solidi riguarda la persistenza di una forte linearità nelle regioni tropicali anche quando la troposfera mostra deviazioni più consistenti alle medie e alte latitudini. La circolazione meridionale tropicale associata agli eventi ENSO–QBO congiunti rimane generalmente molto vicina alla somma dei segnali individuali. Questo comportamento è particolarmente evidente nei modelli CMIP6 ad alta capacità utilizzati dagli autori, ACCESS-CM2, HadGEM3-GC31-LL e UKESM1-0-LL. Il risultato suggerisce che, su grande scala, la forte risposta troposferica a ENSO e la circolazione secondaria associata alla QBO mantengono una considerevole indipendenza statistica, nonostante possano interagire localmente nella regione della tropopausa e del jet subtropicale.
La situazione cambia quando ci si sposta verso la circolazione extratropicale, e in particolare verso il Pacifico settentrionale. Una delle conclusioni più interessanti riguarda la deformazione del pattern Pacific–North American. Durante El Niño, l’intenso riscaldamento e la redistribuzione della convezione nel Pacifico tropicale producono una risposta ondulatoria che comprende generalmente un approfondimento della depressione delle Aleutine e una sequenza di centri geopotenziali estesa verso il Nord America. Durante EQBO, tuttavia, la QBO può essere associata a un’anomalia anticiclonica sul Pacifico settentrionale. La sovrapposizione dei due segnali non si traduce necessariamente in una semplice modifica dell’ampiezza della depressione aleutinica: l’anomalia QBO può interferire con la struttura forzata da El Niño e deformare il PNA.
Questa interpretazione trova sostegno negli studi dedicati agli effetti troposferici della QBO. Rao et al., analizzando modelli CMIP5 e CMIP6 con una QBO generata internamente, hanno identificato almeno tre grandi vie attraverso le quali la QBO può raggiungere la troposfera: il percorso polare associato all’effetto Holton–Tan e al Northern Annular Mode, una struttura di anomalie del vento subtropicale che si incurva verso il basso sul Pacifico e un possibile percorso tropicale connesso alle anomalie convettive nell’area Indo-Pacifico e del Maritime Continent. Non tutti i modelli riproducono simultaneamente questi tre meccanismi, ma la loro presenza dimostra che la QBO dispone di più canali attraverso i quali può modificare una teleconnessione troposferica già forzata da ENSO.
Anche Ma et al. hanno mostrato che la QBO può influenzare direttamente alcuni elementi fondamentali della circolazione dell’Asia orientale e del Pacifico settentrionale. Nel loro studio sull’East Asian winter monsoon durante l’inizio dell’inverno boreale, la fase orientale della QBO risultava associata a un indebolimento del monsone, del Siberian High, della depressione delle Aleutine, della saccatura dell’Asia orientale e dell’East Asian jet, con un ruolo importante delle modificazioni delle onde planetarie di numero zonale 2 e 3. Gli autori proponevano una via prevalentemente subtropicale, nella quale EQBO indebolisce e sposta verso il polo il jet dell’Asia orientale. Questo quadro è particolarmente pertinente alla deformazione del PNA individuata da Wang et al.: se la QBO altera contemporaneamente la depressione aleutinica, il jet e la struttura delle onde planetarie, la teleconnessione ENSO può essere deformata senza che venga necessariamente distrutta la struttura lineare su scala emisferica.
Nella configurazione La Niña–WQBO emerge una dinamica analoga, ma con una geometria differente. La struttura anticiclonica che accompagna La Niña può essere spostata o riorganizzata verso il settore atlantico, determinando una deformazione della teleconnessione rispetto alla semplice sovrapposizione dei segnali puri. Al contrario, nelle combinazioni El Niño–WQBO e La Niña–EQBO lo studio individua una maggiore ampiezza del PNA. Questa differenza suggerisce che le configurazioni ENSO e QBO possono produrre sia interferenza distruttiva sia interferenza costruttiva dei treni d’onda, a seconda del segno e della posizione delle anomalie del vento e del geopotenziale.
L’analisi del flusso di attività ondulatoria rafforza questa conclusione. Durante gli eventi congiunti, le anomalie del flusso possono propagarsi dal Pacifico settentrionale attraverso il Nord America e raggiungere l’Atlantico con intensità superiore a quella prevista dalla semplice somma lineare. Si tratta di un risultato particolarmente importante perché indica che la non linearità troposferica non deve essere ricercata soltanto nell’ampiezza dei centri geopotenziali, ma nel percorso seguito dalle onde di Rossby. Una teleconnessione è essenzialmente un fenomeno di propagazione ondulatoria e dipende dalla struttura del vento di fondo. Una modesta modifica del jet può alterare la velocità di gruppo delle onde, la posizione delle linee critiche e le regioni di rifrazione o assorbimento, generando una risposta regionale molto diversa senza necessariamente modificare in maniera altrettanto marcata il campo medio zonale.
Gli studi di Kumar, Yoden e Hitchman forniscono un quadro particolarmente utile per interpretare questo comportamento. Analizzando ERA-Interim per il periodo 1979–2018, gli autori hanno identificato una “via stratosferica” attraverso la quale la circolazione meridionale QBO modifica l’assorbimento delle onde planetarie secondo il meccanismo Holton–Tan e una “via troposferica” che coinvolge l’alta troposfera e la bassa stratosfera tropicale e subtropicale. Durante WQBO, sia il vortice polare sia i jet subtropicali risultano generalmente più intensi; il segnale QBO sul vortice tende inoltre a essere amplificato durante La Niña. El Niño, al contrario, riduce alcune anomalie QBO nella stratosfera tropicale e ne limita l’estensione verso il polo. La presenza simultanea di questi percorsi aiuta a spiegare perché le anomalie congiunte possano essere quasi additive nella circolazione media ma produrre una maggiore non linearità nei dettagli regionali della propagazione ondulatoria.
Da questo punto di vista, il risultato di Wang et al. non contraddice il lavoro di Calvo et al. del 2009, che costituisce uno dei riferimenti classici sulla non linearità ENSO–QBO. Calvo e collaboratori utilizzarono MAECHAM5 per studiare il comportamento del vortice boreale sotto condizioni di forte El Niño 1997/98 e fasi estreme della QBO. Essi mostrarono che la fase QBO poteva modificare la tempistica e l’intensità della risposta stratosferica a El Niño e che, in alcune fasi dell’inverno, il comportamento combinato non era semplicemente additivo. La differenza metodologica è cruciale: Calvo et al. analizzavano l’evoluzione stagionale di specifiche configurazioni e di un evento ENSO molto intenso, mentre Wang et al. analizzano compositi stagionali e cercano di separare statisticamente i segnali puri. Una risposta può quindi essere fortemente non lineare nella sua evoluzione temporale e contemporaneamente risultare quasi lineare nella media DJF.
Il lavoro del 2024 di Wang et al. sulla stratosfera aveva già mostrato questo comportamento su base osservativa. Negli inverni puri, El Niño ed EQBO erano associati mediamente a un vortice più debole, mentre La Niña e WQBO erano associate a una circolazione polare più forte. Quando i due fenomeni venivano combinati, il segnale osservato nell’Artico stratosferico risultava nella maggior parte dei casi molto vicino alla somma dei contributi individuali. Il successivo confronto con modelli CMIP5/6 ad alta capacità ha ulteriormente rafforzato questa interpretazione. Lo studio del 2026 compie quindi un passo successivo: non chiede più soltanto se il vortice polare risponda linearmente, ma fino a quale quota verso il basso tale linearità rimanga riconoscibile.
La risposta è particolarmente chiara: la stratosfera conserva una forte additività, la troposfera tropicale rimane prevalentemente lineare, mentre le medie e alte latitudini troposferiche sviluppano una componente non lineare progressivamente maggiore. Il contrasto emerge in modo particolarmente netto confrontando la circolazione verticale con le anomalie della temperatura a 2 metri. Nella stratosfera e nella struttura meridionale–verticale, le configurazioni congiunte dei modelli CMIP6 presentano correlazioni praticamente prossime all’unità con la somma lineare. Vicino alla superficie, invece, la corrispondenza diminuisce e le differenze diventano regionalmente molto più evidenti. Questo significa che la principale generazione della non linearità non sembra avvenire attraverso una radicale riorganizzazione del vortice stratosferico, ma durante la trasformazione troposferica e regionale del segnale.
Il comportamento delle temperature artiche è uno degli esempi più chiari. Nelle mappe della temperatura a 2 metri, l’ampiezza delle anomalie durante alcune configurazioni ENSO–QBO congiunte supera quella prevista dalla semplice somma dei segnali individuali. È però importante distinguere questa “amplificazione delle anomalie nell’Artico” dal concetto climatologico di Arctic amplification, che descrive la maggiore velocità del riscaldamento climatico artico rispetto alla media globale su scale temporali molto più lunghe. Nel presente studio si tratta invece di una amplificazione composita interannuale della risposta termica durante specifiche configurazioni ENSO–QBO.
Gli autori verificano se questa amplificazione possa essere spiegata dalla variabilità del ghiaccio marino nei mari di Barents e Kara. La questione è fisicamente ben fondata, perché il ghiaccio marino esercita un forte controllo sui flussi di calore fra oceano e atmosfera. In inverno, una superficie oceanica meno ghiacciata permette un maggiore trasferimento di calore sensibile e latente verso l’atmosfera e può generare anomalie termiche superficiali molto intense. Tuttavia, dopo la rimozione statistica del segnale del ghiaccio marino, la corrispondenza con la somma lineare non migliora abbastanza da spiegare completamente la non linearità osservata. Ne deriva che il ghiaccio marino contribuisce alla risposta regionale ma non costituisce l’unica origine dell’amplificazione.
Questo risultato suggerisce che la circolazione atmosferica stessa giochi un ruolo primario. Alle alte latitudini, una piccola variazione della posizione di una cresta o di una saccatura può modificare drasticamente l’avvezione termica. Un flusso meridionale può trasportare aria relativamente mite dall’Atlantico settentrionale verso il Mare di Barents oppure aria fredda artica verso l’Eurasia; variazioni analoghe possono verificarsi sul Nord America e sul Pacifico. La temperatura prossima alla superficie risponde quindi molto più intensamente alla struttura longitudinale della circolazione rispetto alle variabili stratosferiche mediate zonalmente. Questa sensibilità spiega perché le anomalie termiche artiche possano mostrare un comportamento molto meno lineare rispetto al vento zonale del vortice.
Uno dei risultati più eleganti dello studio consiste infatti nell’aumento della linearità quando viene considerata soltanto la componente mediata zonalmente. La correlazione tra evento congiunto e somma lineare è generalmente maggiore per le anomalie zonalmente mediate rispetto al campo totale. Ciò significa che la struttura media nord–sud dell’atmosfera conserva una notevole additività, mentre una quota importante della non linearità si trova nella distribuzione longitudinale delle anomalie. È una conclusione dinamicamente molto significativa: il sistema ENSO–QBO sembra essere fortemente lineare nella propria struttura zonale di grande scala ma maggiormente non lineare nella fase e nella traiettoria delle onde planetarie.
Questa differenza aiuta a comprendere perché la semplice media zonale possa nascondere processi regionali importanti. Consideriamo, ad esempio, un treno d’onde che produce una cresta sul Canada e una saccatura sugli Stati Uniti orientali. Una lieve variazione del jet potrebbe spostare l’intero pattern di alcune decine di gradi di longitudine. La media lungo un parallelo cambierebbe relativamente poco, ma le condizioni meteorologiche locali potrebbero essere completamente differenti. Una regione che nel composito lineare si trova sotto una cresta potrebbe trovarsi sotto una saccatura nel composito congiunto. La correlazione zonale rimarrebbe elevata mentre quella del campo totale diminuirebbe.
Questo principio è direttamente collegato ai risultati di Ma et al. sul Nord Atlantico. Gli autori hanno mostrato che ENSO modifica il percorso attraverso il quale la QBO comunica con la troposfera. Durante El Niño domina maggiormente una via subtropicale che coinvolge il jet Pacifico–Atlantico e la propagazione delle onde di Rossby; durante La Niña diventa relativamente più importante una via polare mediata dalle anomalie del vortice stratosferico. Il risultato è un impatto non lineare e, in alcuni casi, sinergico sulla circolazione invernale del Nord Atlantico. Questa evidenza è pienamente compatibile con la maggiore linearità delle medie zonali di Wang et al.: il campo di grande scala può mantenere l’additività mentre i percorsi longitudinali attraverso cui il segnale raggiunge specifiche regioni cambiano notevolmente.
La distinzione fra tropici e alte latitudini costituisce un altro elemento centrale. Nella troposfera tropicale ENSO rappresenta la forzante nettamente dominante. Le anomalie convettive e termiche associate alle SST del Pacifico hanno ampiezza molto maggiore rispetto alla firma troposferica diretta della QBO. Quest’ultima, pur potendo influenzare la tropopausa, la stabilità e la convezione, produce generalmente anomalie inferiori. Ne consegue che nei compositi congiunti il segnale ENSO tende a prevalere. Wang et al. sottolineano proprio che questa differenza di ampiezza contribuisce al predominio ENSO nella risposta troposferica degli eventi congiunti.
La predominanza ENSO non rende tuttavia la QBO irrilevante. Al contrario, una delle lezioni principali della letteratura recente è che una perturbazione di piccola ampiezza può avere un’importante funzione modulante se modifica una regione dinamicamente sensibile. La QBO può alterare il jet subtropicale, la temperatura della tropopausa o la propagazione delle onde senza produrre direttamente una grande anomalia della temperatura superficiale. In questo senso, la QBO può modificare l’efficienza con cui il più forte forcing ENSO viene trasmesso verso le medie latitudini. Questo concetto è essenziale per comprendere perché il segnale ENSO possa dominare l’ampiezza del composito e, contemporaneamente, la specifica fase QBO possa alterarne significativamente la configurazione regionale.
La QBO Initiative ha fornito nuovi elementi su questo punto. Gli esperimenti ENSO idealizzati pubblicati nel 2025 mostrano che le teleconnessioni della QBO verso la stratosfera polare, il jet subtropicale e la troposfera tropicale dipendono in parte dallo stato ENSO. Il disegno sperimentale, basato su SST annualmente ripetute caratteristiche di El Niño e La Niña, riduce il problema dell’aliasing presente nelle osservazioni e consente di valutare più direttamente la modulazione ENSO. I risultati indicano tuttavia anche una notevole dispersione fra modelli e una tendenza dell’ensemble a riprodurre una teleconnessione QBO–vortice più debole rispetto alle osservazioni. Ciò suggerisce che la relativa linearità individuata da Wang et al. debba essere interpretata insieme all’incertezza modellistica nella forza dei singoli meccanismi.
Particolarmente importante è quindi il fatto che Wang et al. non utilizzino indiscriminatamente tutti i modelli CMIP6, ma si concentrino su tre modelli già valutati come relativamente abili nel riprodurre ENSO, QBO e la loro risposta stratosferica. La conferma della linearità attraverso ACCESS-CM2, HadGEM3-GC31-LL e UKESM1-0-LL riduce la possibilità che il risultato dipenda esclusivamente dalla limitata numerosità degli eventi ERA5. Allo stesso tempo, la maggiore linearità mostrata dai modelli rispetto alla rianalisi in alcune regioni può derivare sia dalla maggiore numerosità campionaria e dalla riduzione del rumore interno, sia dalla possibile sottostima modellistica di alcuni feedback regionali.
La differenza tra ERA5 e modelli è infatti essa stessa informativa. La rianalisi rappresenta una singola storia dell’atmosfera reale, nella quale ogni composito ENSO–QBO comprende un numero relativamente piccolo di inverni e ciascuno di questi è influenzato da molte altre sorgenti di variabilità: Madden–Julian Oscillation, ciclo solare, copertura nevosa, ghiaccio marino, variabilità nord-atlantica, attività delle onde troposferiche, Sudden Stratospheric Warmings e variabilità caotica interna. Un grande ensemble modellistico riduce parte di questo rumore e rende più evidente la risposta sistematica. È quindi ragionevole che il segnale additivo appaia più pulito nei modelli.
Al tempo stesso, non si può escludere che una parte della maggiore linearità modellistica derivi da una rappresentazione troppo debole di alcuni meccanismi troposferici. Rao et al. hanno mostrato che solo una frazione dei modelli CMIP5/6 con QBO riesce a riprodurre simultaneamente i diversi percorsi troposferici della QBO. Se un modello rappresenta correttamente la QBO stratosferica ma sottostima la sua influenza sul jet o sulla convezione, la risposta congiunta potrebbe apparire artificialmente più additiva. Il buon accordo con ERA5 sulla struttura generale è quindi incoraggiante, ma non elimina la necessità di valutare criticamente le differenze regionali.
La circolazione dell’Asia orientale offre un esempio particolarmente utile di questa complessità. Gli autori mostrano che nella troposfera la linearità ENSO–QBO è massima nelle regioni tropicali e diminuisce alle medie e alte latitudini. Nell’Artico, inoltre, la risposta stratosferica è nettamente più lineare rispetto a quella troposferica. Questa distribuzione verticale e latitudinale suggerisce che il segnale venga progressivamente rielaborato man mano che si allontana dalle principali sorgenti di prevedibilità tropicale e stratosferica.
L’Asia orientale costituisce un ambiente particolarmente sensibile perché il suo clima invernale è controllato dall’interazione fra Siberian High, Aleutian Low, East Asian trough, jet subtropicale e monsone. Ma et al. hanno mostrato che la QBO nella bassa stratosfera può modificare direttamente questi elementi: durante EQBO, nel periodo 1958–2019 analizzato nel loro studio, il monsone dell’Asia orientale nei mesi di novembre–dicembre risultava mediamente più debole, con una riduzione del flusso settentrionale e temperature più miti, associata a un indebolimento del Siberian High, della depressione delle Aleutine, della saccatura dell’Asia orientale e del jet. Questi risultati indicano che la QBO possiede strumenti dinamici sufficienti per modificare la risposta ENSO regionale anche quando la sua anomalia troposferica media è inferiore a quella ENSO.
La più recente letteratura conferma inoltre che la combinazione ENSO–QBO può avere conseguenze climatiche sull’Asia orientale al di là dell’inverno analizzato da Wang et al. Uno studio pubblicato nel 2026, dedicato però alla precipitazione estiva e quindi a una stagione e a un fenomeno distinti, ha associato prolungati allineamenti di fase ENSO–QBO alla variabilità multidecadale del dipolo “piogge meridionali–siccità settentrionali” nell’Asia orientale, attraverso una modulazione del jet subtropicale. Questo risultato non può essere trasferito direttamente all’inverno boreale studiato da Wang et al., ma mostra in modo indipendente quanto l’interazione tra variabilità troposferica tropicale e stratosferica possa influenzare il jet dell’Asia orientale e quindi il clima regionale.
La crescente non linearità procedendo verso le alte latitudini può essere compresa anche in termini di gradi di libertà dinamici. Nella stratosfera, la risposta invernale è dominata da poche grandi strutture organizzate: QBO, vortice polare, onde planetarie e circolazione meridionale. Nella troposfera tropicale, ENSO fornisce un forcing molto forte e spazialmente coerente attraverso il riscaldamento convettivo. Alle medie latitudini entrano invece in gioco storm track, instabilità baroclina, feedback eddy–mean flow e blocchi atmosferici. Alle alte latitudini si aggiungono la forte variabilità del vortice troposferico, il ghiaccio marino e i grandi scambi di calore fra oceano e atmosfera. Ogni nuovo livello di complessità aumenta la possibilità che piccoli scarti iniziali fra risposta reale e risposta lineare vengano amplificati.
È quindi possibile interpretare la troposfera extratropicale come una sorta di amplificatore della non linearità. Una piccola differenza nella stratosfera o nel jet subtropicale può essere inizialmente quasi irrilevante rispetto al segnale totale; tuttavia, se modifica la posizione del getto, può cambiare il breaking delle onde di Rossby, che a sua volta modifica il getto attraverso un feedback. Il sistema può così produrre una risposta regionale sensibilmente differente pur partendo da anomalie su grande scala quasi identiche.
Questo processo aiuta a spiegare perché il caso El Niño–EQBO presenti una non linearità particolarmente evidente nella troposfera. Entrambi i fenomeni tendono climatologicamente a favorire un vortice polare più debole, ma El Niño produce anche un forte forcing troposferico diretto. La risposta combinata può quindi modificare contemporaneamente il PNA, la depressione aleutinica, il jet e la circolazione artica. La stratosfera media può continuare a rispondere quasi linearmente perché i contributi al vortice sono sostanzialmente additivi; la troposfera, invece, può riorganizzare longitudinalmente tale segnale in modo più complesso.
Il caso El Niño–WQBO rappresenta quasi l’opposto. Nella stratosfera le due forzanti tendono parzialmente a contrastarsi, perché El Niño favorisce mediamente un vortice più debole mentre WQBO tende a rafforzarlo. Kumar et al. hanno però mostrato che proprio durante El Niño–WQBO possono verificarsi jet subtropicali particolarmente intensi, evidenziando come la stessa combinazione possa produrre compensazione nella regione polare e rafforzamento nella fascia subtropicale. La linearità o non linearità non può dunque essere definita per una configurazione in astratto: dipende dalla regione e dal meccanismo considerati.
Analogamente, durante La Niña la relazione QBO–vortice può risultare più evidente. Kumar et al. hanno trovato che il segnale QBO nel vortice polare viene amplificato durante La Niña, mentre El Niño tende a ridurre alcune anomalie QBO tropicali e la loro estensione verso il polo. Gli esperimenti QBOi più recenti confermano che lo stato ENSO può modulare l’effetto Holton–Tan, pur mostrando una notevole dispersione tra modelli. Anche in questo caso, l’esistenza di una modulazione fisica non implica necessariamente che la risposta climatologica totale sia dominata dalla componente non lineare.
Questa distinzione è forse il contributo concettuale più importante del lavoro. Fino a pochi anni fa, la letteratura tendeva spesso a chiedere se ENSO e QBO interagissero “linearmente” o “non linearmente”. I risultati di Wang et al. suggeriscono che la domanda debba essere riformulata: quale frazione della risposta totale è lineare, dove si trova la componente non lineare e attraverso quali meccanismi essa viene generata? La risposta è che la sovrapposizione lineare spiega una quota molto ampia della struttura stratosferica e tropicale, mentre la non linearità si concentra soprattutto nella riorganizzazione regionale delle teleconnessioni e nella risposta troposferica delle alte latitudini.
La maggiore linearità delle medie zonali è particolarmente importante in questa prospettiva. Essa suggerisce che i principali bilanci dinamici dell’atmosfera mantengano una forte additività, mentre il grado di non linearità aumenta quando le onde vengono considerate nella loro struttura longitudinale. Non è quindi necessario postulare un meccanismo completamente nuovo per spiegare la risposta congiunta: può essere sufficiente che la QBO modifichi leggermente il flusso di fondo e quindi la traiettoria delle onde ENSO. Tale differenza può essere quasi invisibile nella media zonale e molto evidente in una specifica regione.
Questo punto ha profonde implicazioni per le previsioni stagionali. ENSO e QBO sono entrambe sorgenti di prevedibilità relativamente elevate. ENSO possiede memoria grazie alla dinamica oceanica tropicale; la QBO evolve lentamente e la sua propagazione verticale può essere prevista con mesi di anticipo. Se la loro risposta stratosferica fosse fortemente non lineare, conoscere separatamente le due modalità avrebbe un’utilità limitata. La forte additività identificata da Wang et al. suggerisce invece che la combinazione dei due segnali possa fornire una buona prima stima dello stato medio della stratosfera invernale.
Questa potenziale prevedibilità si degrada però durante il passaggio verso la superficie. La crescente non linearità troposferica implica che un segnale stratosferico relativamente prevedibile non determina univocamente il clima regionale. Una stessa configurazione del vortice può essere accompagnata da differenti risposte del jet e dei blocchi atmosferici, e la presenza di ENSO può modificare le vie attraverso le quali il segnale QBO raggiunge la troposfera. È quindi possibile disporre di una buona previsione della tendenza media del vortice senza possedere la stessa capacità di prevedere il segno della temperatura in una specifica regione europea o asiatica.
In termini di prevedibilità, il risultato può essere interpretato come una progressiva perdita di informazione coerente lungo il percorso dalla stratosfera alla troposfera regionale. L’informazione contenuta in ENSO e QBO rimane organizzata e facilmente separabile nella stratosfera; nell’alta troposfera viene filtrata dai jet; nelle medie latitudini viene rielaborata dalle onde e dalle storm track; vicino alla superficie viene infine amplificata o attenuata da processi locali e feedback con oceano, neve e ghiaccio. Il segnale non scompare, ma diventa sempre più dipendente dallo stato interno dell’atmosfera.
È altrettanto importante non interpretare la forte linearità come prova di causalità semplice. La regressione statistica separa i segnali di primo ordine, ma ENSO e QBO possono essere collegati attraverso processi dinamici più complessi. Gli esperimenti QBOi hanno, ad esempio, mostrato che ENSO può modificare le teleconnessioni della QBO e che separare i loro contributi dalle osservazioni è intrinsecamente difficile a causa dell’aliasing nel record storico. L’approccio di Wang et al. riduce questa difficoltà ma non la elimina completamente, motivo per cui la conferma attraverso modelli indipendenti assume particolare valore.
Un ulteriore limite riguarda la numerosità dei campioni. La classificazione in quattro configurazioni riduce inevitabilmente il numero di inverni disponibili. Un singolo inverno caratterizzato da un grande Sudden Stratospheric Warming, da una forte anomalia del ghiaccio marino o da una particolare configurazione della Madden–Julian Oscillation può influenzare notevolmente il composito ERA5. Anche la forte differenza tra El Niño e La Niña non deve essere interpretata soltanto in funzione del segno dell’indice ENSO, perché posizione, intensità e tipo degli eventi ENSO variano considerevolmente.
La scelta di utilizzare modelli CMIP6 ad alta capacità contribuisce a ridurre il problema, ma introduce a sua volta l’incertezza dei modelli. La QBO richiede un’elevata risoluzione verticale e una buona rappresentazione delle onde equatoriali e delle onde di gravità; ENSO richiede un accoppiamento oceano–atmosfera realistico; le teleconnessioni extratropicali dipendono dalla posizione dei jet e dalla climatologia delle storm track. Un errore in uno qualsiasi di questi elementi può modificare la risposta ENSO–QBO. La convergenza fra ERA5 e i tre modelli selezionati è quindi incoraggiante, ma non elimina la necessità di continuare a verificare i risultati in ensemble più ampi e in esperimenti controllati.
La letteratura recente sta andando precisamente in questa direzione. Gli esperimenti QBOi ENSO forniscono condizioni idealizzate per separare le due forzanti, mentre studi regionali esaminano i percorsi specifici attraverso cui la QBO modifica il Pacifico settentrionale, il Nord Atlantico e l’Asia orientale. Questa combinazione fra rianalisi, esperimenti idealizzati, modelli accoppiati e diagnosi ondulatorie permette progressivamente di passare dalla semplice identificazione statistica delle teleconnessioni alla comprensione dei meccanismi fisici.
Nel complesso, il quadro che emerge dalla Sezione 5 è quello di un sistema atmosferico nel quale la linearità costituisce il comportamento dominante di grande scala, mentre la non linearità rappresenta una correzione regionalmente importante, soprattutto nella troposfera extratropicale. Nella stratosfera, ENSO e QBO conservano in larga misura i propri segnali individuali e la risposta congiunta può essere descritta attraverso una somma quasi additiva. Nei tropici, ENSO domina l’ampiezza della risposta ma la struttura meridionale rimane generalmente lineare. Procedendo verso le medie latitudini, il jet e le onde di Rossby iniziano a trasformare maggiormente il segnale. Nell’Artico, infine, le interazioni con la circolazione polare, i flussi meridionali e il ghiaccio marino aumentano ulteriormente la sensibilità della temperatura superficiale alla configurazione specifica ENSO–QBO.
La deformazione del PNA rappresenta probabilmente l’espressione più chiara di questa trasformazione. La QBO non deve creare una nuova teleconnessione completamente indipendente per produrre non linearità: può semplicemente modificare la depressione delle Aleutine, il jet o la guida d’onda e cambiare così la forma del PNA forzato da ENSO. La maggiore intensità dei flussi di attività ondulatoria osservata in alcune combinazioni rispetto alla somma lineare indica precisamente che la propagazione delle onde può amplificarsi in maniera non additiva. Questa alterazione del percorso ondulatorio può successivamente essere trasferita al Nord America, all’Atlantico e alle alte latitudini.
Il fatto che le anomalie di temperatura superficiale artica risultino talvolta amplificate oltre la somma dei segnali individuali mostra inoltre che la linearità dinamica della stratosfera non garantisce una linearità termodinamica della superficie. Le condizioni locali, il trasporto meridionale di calore, la copertura di ghiaccio e la struttura della boundary layer possono trasformare significativamente un segnale atmosferico di grande scala. La rimozione del contributo del ghiaccio marino riduce parte dell’interferenza ma non elimina la non linearità, dimostrando che la risposta non può essere attribuita a un solo meccanismo.
In questa prospettiva, il titolo dello studio — “Limited nonlinearity of joint ENSO–QBO effects from the stratosphere to the troposphere” — riassume con notevole precisione il risultato complessivo. La non linearità è “limitata” non perché sia irrilevante, ma perché non domina la risposta atmosferica totale. Essa emerge soprattutto in determinate regioni e processi, mentre la maggior parte della struttura di grande scala continua a essere spiegata dalla sovrapposizione dei segnali ENSO e QBO.
Questa conclusione permette anche di riconciliare gli studi che avevano enfatizzato il comportamento non lineare. Calvo et al. hanno documentato non linearità nella risposta temporale del vortice a un forte El Niño; Kumar et al. hanno mostrato che lo stato ENSO modifica l’ampiezza e l’estensione della circolazione QBO; Ma et al. hanno identificato differenti percorsi subtropicali e polari verso il Nord Atlantico; gli esperimenti QBOi hanno confermato che alcune teleconnessioni QBO dipendono dalla fase ENSO. Wang et al. aggiungono però un’informazione fondamentale: quando questi effetti vengono confrontati con l’intera anomalia atmosferica, la parte non lineare è generalmente minoritaria nella stratosfera e nei tropici e diventa veramente importante soprattutto nella circolazione troposferica regionale.
Il risultato possiede quindi una rilevanza teorica oltre che previsionale. Da un punto di vista teorico, dimostra che un sistema altamente non lineare può produrre una risposta climatologica quasi additiva quando le perturbazioni principali conservano strutture spaziali sufficientemente coerenti. Da un punto di vista previsionale, indica che ENSO e QBO possono essere trattati come sorgenti relativamente indipendenti di informazione per alcune caratteristiche della stratosfera invernale, ma che questa semplificazione diventa sempre meno affidabile quando si cerca di prevedere il clima regionale vicino alla superficie.
In definitiva, la Sezione 5 delinea un’atmosfera organizzata secondo un vero e proprio gradiente verticale e latitudinale della non linearità. La stratosfera media rappresenta il dominio della massima additività; la troposfera tropicale mantiene ancora una forte componente lineare; la regione subtropicale e l’alta troposfera costituiscono una fascia di transizione nella quale i jet iniziano a rielaborare il segnale; le medie e alte latitudini troposferiche rappresentano infine il settore nel quale la dinamica interna, le onde e i feedback della superficie rendono la risposta molto più dipendente dalla specifica configurazione ENSO–QBO. È questa progressiva trasformazione, più che una semplice contrapposizione tra linearità e non linearità, a rappresentare il contributo concettuale principale dello studio.
Il quadro finale è quindi particolarmente coerente: ENSO domina generalmente l’ampiezza della risposta troposferica, la QBO ne modula il contesto dinamico; la loro sovrapposizione rimane largamente lineare nella stratosfera e nei tropici, ma la propagazione delle onde e la riorganizzazione delle teleconnessioni producono una non linearità crescente alle medie e alte latitudini. Il PNA costituisce uno degli esempi più evidenti di questa trasformazione, mentre l’Artico rappresenta la regione in cui l’amplificazione delle anomalie superficiali rende maggiormente visibile la perdita dell’additività. La conferma fornita dai modelli CMIP6 rafforza la robustezza di questo schema, mentre i risultati di studi indipendenti e degli esperimenti QBOi mostrano che i meccanismi alla base delle deviazioni regionali sono fisicamente plausibili e non riconducibili a semplici artefatti statistici.
Da questo punto di vista, il lavoro di Wang et al. rappresenta un passo importante verso una visione più realistica delle teleconnessioni climatiche. ENSO, QBO, vortice polare, jet subtropicali e onde planetarie non devono essere interpretati come elementi isolati né come componenti completamente inseparabili dello stesso sistema. Essi mantengono una certa identità dinamica e, su grande scala, i loro effetti possono spesso essere ricostruiti separatamente; tuttavia, la circolazione regionale filtra e trasforma tali segnali in funzione dello stato atmosferico. Comprendere precisamente dove la sovrapposizione lineare cessa di essere sufficiente rappresenta quindi uno dei problemi centrali per migliorare la previsione stagionale e per trasformare la conoscenza delle grandi modalità tropicali e stratosferiche in informazioni climatiche realmente utili alle medie e alte latitudini.
Haoxiang Wang, Jian Rao, Dong Guo, Yimin Liu & Yixiong Lu, “Limited nonlinearity of joint ENSO–QBO effects from the stratosphere to the troposphere”, Atmospheric and Oceanic Science Letters, Volume 19, Issue 4, 2026, articolo 100704. È pubblicato in open access.
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Il DOI ufficiale è 10.1016/j.aosl.2025.100704.
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