Modulazione dell’ENSO delle Teleconnessioni della MJO verso il Nord Atlantico e l’Europa

Astratto La teleconnessione dalla Oscillazione Madden-Julian (MJO) è una fonte significativa di variabilità e prevedibilità sub-stagionale nella regione del Nord Atlantico-Europa (NAE). L’El Niño-Oscillazione del Sud (ENSO) modifica lo stato climatico medio stagionale, attraverso il quale si propagano la MJO e i suoi schemi di teleconnessione. Tuttavia, l’effetto dell’ENSO su questa teleconnessione nella regione NAE è poco esplorato. Qui identifichiamo una chiara dipendenza delle teleconnessioni dalla MJO ai regimi meteorologici della NAE in base alla fase dell’ENSO. Dimostriamo che durante gli anni di El Niño, la teleconnessione troposferica dalla MJO al regime NAO+ è notevolmente rinforzata, grazie all’intensificazione dell’attività ondulatoria di Rossby, mentre è ridotta durante La Niña. Al contrario, la teleconnessione stratosferica dalla MJO al regime NAO- è rafforzata nei periodi di La Niña e indebolita durante El Niño. Questa interdipendenza implica significative conseguenze per la prevedibilità sub-stagionale, incluso il variare della precisione predittiva da un anno all’altro.

Sommario in Linguaggio Semplice L’Oscillazione Madden-Julian (MJO) è la principale fonte di variazioni meteorologiche nei tropici su scala sub-stagionale. La teleconnessione dalla MJO alla regione Nord Atlantico-Europa (NAE) influisce sulle condizioni meteorologiche, migliorando la capacità di previsione delle condizioni atmosferiche per periodi che vanno dai 10 ai 30 giorni. L’El Niño-Oscillazione del Sud (ENSO) ha un ruolo nell’ambito climatico stagionale, che a sua volta influenza come le onde e le connessioni dalla MJO raggiungono la regione NAE. Abbiamo scoperto che queste teleconnessioni dalla MJO ai modelli climatici NAE dipendono fortemente dallo stato dell’ENSO. In determinate condizioni della MJO, certi schemi climatici si verificano con una frequenza più che doppia. Queste scoperte chiariscono ulteriormente le diverse vie e fonti di queste teleconnessioni, che avvengono sia attraverso la troposfera che la stratosfera. Tale dipendenza dallo stato dell’ENSO ha implicazioni significative per le previsioni climatiche su scala di 10-30 giorni.

1. Introduzione

La divergenza meridionale anomala nei tropici, associata alla convezione della MJO (Madden & Julian, 1994), agisce come una fonte di onde di Rossby sul getto subtropicale (Seo & Lee, 2017; Seo & Son, 2012; Tseng et al., 2019). La propagazione di queste onde verso valle e la loro rottura (Franzke et al., 2004; Michel & Rivière, 2011; Swenson et al., 2017; Woollings et al., 2008) nella regione NAE (Nord Atlantico-Europa) influenzano il tracciato delle tempeste, i blocchi atmosferici e la posizione del getto aereo. Questo modello di teleconnessione (Black et al., 2017; Cassou, 2008; Garfinkel et al., 2014; Guo et al., 2017; Henderson et al., 2016; Jiang et al., 2017; L’Heureux & Higgins, 2008; Lin et al., 2009; Moon et al., 2011; Stan et al., 2017; Vitart, 2017; Yadav & Straus, 2017) che origina dai tropici, produce una relazione ritardata e asimmetrica nella regione NAE. Così, la teleconnessione MJO-NAE estende la potenziale prevedibilità delle condizioni meteorologiche nella regione NAE oltre il limite tipico di una settimana delle zone extratropicali, raggiungendo scale temporali sub-stagionali (Cassou, 2008; Tseng et al., 2018).

Il ritardo tra l’evento MJO e la risposta nella regione NAE è di circa 10 giorni, ma può variare considerevolmente, rendendo incerte le attribuzioni precise. La durata della teleconnessione dipende dalla lunghezza del percorso di teleconnessione per le diverse fasi della MJO, dalle diverse velocità di propagazione degli eventi MJO che portano a risposte di teleconnessione differenti (Yadav & Straus, 2017), e dal fatto che la regione NAE risponde simultaneamente a posizioni multiple della convezione MJO considerando vari ritardi (ad esempio, Branstator, 2014).

Per studiare questa influenza nella regione NAE, si possono esaminare anomalie nei regimi meteorologici (Michelangeli et al., 1995; Neal et al., 2016; Vautard, 1990), nei regimi dei getti (Madonna et al., 2017; Woollings et al., 2010), nei blocchi atmosferici (Henderson et al., 2016), nelle funzioni ortogonali empiriche, o negli indici dei modelli di flusso dinamico su larga scala, incluso l’indice dell’Oscillazione Nord Atlantica (NAO) (Hurrell et al., 2003). I regimi meteorologici sono comunemente diagnosticati usando un algoritmo di partizione per generare cluster da mappe giornaliere di altezza geopotenziale, con quattro regimi ideali per l’inverno NAE (Cassou, 2008; Michelangeli et al., 1995). Due di questi sono spesso (Cassou, 2008; Hurrell et al., 2003; Vautard, 1990) interpretati come rappresentazioni alternative delle fasi negative e positive della NAO (NAO- e NAO+, rispettivamente). Tuttavia, mentre il regime NAO+ corrisponde strettamente all’indice NAO+, il regime NAO- assomiglia meno all’indice NAO- a causa di un contributo maggiore del pattern dell’Atlantico Orientale (seconda funzione ortogonale empirica della circolazione NAE). Il terzo regime è chiamato “Cresta Atlantica” (AR), con una cresta di blocco nell’Atlantico centrale, e il quarto è denominato “Blocco Scandinavo” (SB) con un modello di blocco nella regione del Mare del Nord. L’uso del termine “blocco” in questo contesto non implica alcun criterio di persistenza. I quattro regimi meteorologici NAE insieme descrivono l’intera gamma di variabilità su larga scala del clima nella regione, a differenza dell’indice NAO che rappresenta solo il 16,4% della varianza.

Un modello di contingenza basato sui regimi meteorologici anomali correlati alla MJO, stabilito da Cassou (2008) (comparabile alla Figura 1a), ha mostrato che a partire da circa 10 giorni dopo la fase 3 della MJO (convezione attiva sull’Oceano Indiano orientale), l’occorrenza del regime NAO+ aumenta del circa 60% rispetto alla climatologia normale. Questo significativo aumento si estende fino a ritardi di 12 giorni dopo la fase 4 della MJO. Questo andamento è in linea con i circa 6 giorni che intercorrono tra ogni fase numerata della MJO. Successivamente, si osserva un leggero aumento (circa 30%) dell’occorrenza dei regimi SB e AR a ritardi di circa 0-6 e 10 giorni, rispettivamente, probabilmente come risultato di sviluppo in situ. Ciò significa che la risposta iniziale alla MJO ha innescato il regime NAO+, ma l’evoluzione successiva emerge a seguito della dinamica interna nella regione NAE, indipendentemente dalla forzatura MJO. Per ritardi superiori ai 10 giorni dopo la fase 6 della MJO (convezione attiva sull’Oceano Pacifico occidentale), l’occorrenza del NAO- aumenta fino al circa 70% e persiste fino alla fase 8 della MJO. Quando l’occorrenza di NAO+ aumenta, gli altri regimi diminuiscono (in particolare il NAO-), e viceversa.

Infine, la fase dell’ENSO fornisce una teleconnessione media stagionale all’indice NAO, essendo più forte tra El Niño moderato e NAO- (Li & Lau, 2012; Toniazzo & Scaife, 2006), e si è dimostrata robusta sia per gli eventi El Niño del Pacifico centrale che orientale (Zhang et al., 2018). Tuttavia, da una prospettiva sub-stagionale, l’ENSO modula lo stato di fondo globale, attraverso il quale si propagano la MJO e il suo modello di teleconnessione sub-stagionale (Moon et al., 2011; Roundy et al., 2010; Son et al., 2017). Ad esempio, la variabilità sub-stagionale correlata alla MJO si estende più a est nel Pacifico durante gli anni di El Niño (ad esempio Hendon et al., 1999). Una dipendenza dalla fase dell’ENSO è evidente nella teleconnessione della MJO verso il margine del Pacifico Nord, osservata nell’attività del percorso delle tempeste del Pacifico (Takahashi & Shirooka, 2014) e nella circolazione su larga scala sopra il Nord America (Moon et al., 2011). La magnitudine dell’influenza della MJO sull’indice NAO è stata suggerita avere una dipendenza dalla fase dell’ENSO, con questa modulazione massima durante le condizioni di La Niña o durante periodi di rapido aggiustamento dell’ENSO (Roundy et al., 2010). È importante considerare il feedback tra ENSO (e il suo stato di fondo a medie latitudini associato) e la variabilità intra-stagionale, inclusa la MJO, poiché la loro esistenza modifica la risposta stagionale dell’ENSO (Swenson & Straus, 2015), implicando il potenziale per una rettificazione.

In questo studio indaghiamo la dipendenza della teleconnessione sub-stagionale MJO-NAE dell’inverno boreale esteso (novembre-marzo) dalle variazioni interannuali nello stato di fondo associate all’ENSO e troviamo questa dipendenza robusta. Una migliore comprensione di questo aspetto è importante per valutare la rappresentazione di questa dipendenza nei modelli meteorologici e climatici e per migliorare le previsioni.

Utilizziamo l’indice RMM per descrivere la fase della MJO (Testo S1 nelle informazioni di supporto) (Wheeler & Hendon, 2004), i regimi meteorologici NAE (Testo S2) e il modello di tavola di contingenza di Cassou (2008) (Testo S3), aggiornato con la rianalisi ERA-Interim (Dee et al., 2011) dal 1979 al 2018. Troviamo che le teleconnessioni complessive dei regimi meteorologici MJO-NAE sono molto simili (Figura 1a) allo studio originale (Cassou, 2008), con due differenze minori. Primo, l’aumento dell’occorrenza di NAO+ osservato 10 giorni dopo la fase 3 della MJO ora appare significativamente prima, dopo la fase 1 della MJO. In secondo luogo, l’aumento delle occorrenze dei regimi AR e SB dopo le fasi 4-6 della MJO. Queste differenze sono probabilmente dovute a un periodo di dati più lungo, che aggiunge alla dimensione del campione, e a un diverso set di dati.

2. Impatto dello Stato di Base dell’ENSO

Per analizzare la modulazione dell’ENSO sulle teleconnessioni MJO-NAE, abbiamo ampliato il modello di Cassou utilizzando un indice basato sulla media invernale annuale della temperatura superficiale del mare nella zona Niño3.4 (SST) (Rayner, 2003) (Testo S4). Questo indice è suddiviso in terzili per creare dei compositi, definiti come “anni”. Durante gli anni di El Niño (Figura 1b), si nota che la teleconnessione NAO+ è molto più marcata, divenendo significativa già dalla fase 1 della MJO, con un incremento dell’occorrenza fino a circa il 100% (il doppio della norma climatologica), per poi ritornare ai livelli climatologici standard in circa 6 giorni (equivalenti a una fase della MJO). Nei periodi senza una teleconnessione MJO attiva (fase 0, che corrisponde a circa un terzo dei giorni invernali), si registra una frequenza maggiore di NAO− e AR, e una frequenza minore di NAO+. Tuttavia, includendo i giorni con attività MJO, il cambiamento nella distribuzione complessiva tra i regimi meteorologici durante gli anni di El Niño è un aumento di 3 punti percentuali nei giorni di NAO+ rispetto alla media generale e una diminuzione di 2 punti percentuali nei giorni di AR, a causa della forte teleconnessione MJO-NAO+, suggerendo una possibile rettificazione sullo stato medio stagionale. I regimi AR e SB seguono, con incrementi fino al 50% dopo la fase 6 della MJO, associati allo sviluppo in situ dal NAO+. Il regime NAO− mostra un aumento significativo dell’occorrenza solo dopo la fase 7 della MJO (anche fino a circa il 100%). Questo rapido passaggio da AR e SB può indicare uno sviluppo in situ piuttosto che una piena teleconnessione MJO. Pertanto, concludiamo che la teleconnessione MJO-NAE durante gli anni di El Niño porta a un regime NAO+ molto più frequente, che si verifica dopo le fasi 1-5 della MJO e domina la teleconnessione media stagionale.

Durante gli anni neutri (Figura 1c), la teleconnessione NAO+ è simile a quella degli anni complessivi, ma con ampiezze pari alla metà rispetto agli anni di El Niño; tuttavia, a causa di un campione più ridotto, molti di questi dati non sono significativi. Senza una forte teleconnessione NAO+, non sembra esserci alcuna evidenza di sviluppo in situ nei regimi AR o SB. AR si verifica con una frequenza superiore del 25% quando non c’è attività MJO durante gli anni neutri. La differenza più importante è la teleconnessione NAO− attiva, che si manifesta dopo la fase 6 della MJO, con aumenti fino al 100% dell’occorrenza, fino alla fase 8. Senza un’attività MJO, si osservano circa il 50% in meno di occorrenze di NAO− e, nonostante la forte teleconnessione, la sua breve durata (solo due fasi della MJO) non porta la media neutra di NAO− (17% di tutti i giorni) al livello di tutti gli anni (19% di tutti i giorni). Concludiamo che la teleconnessione MJO-NAE durante gli anni neutri porta a uno stato di NAO+ leggermente più frequente dopo le fasi 1-4 della MJO, e a uno stato di regime NAO− molto più frequente, che si verifica dopo le fasi 6-7 della MJO.

Durante gli anni di La Niña (Figura 1d), non si osserva una teleconnessione NAO+, mentre la marcata teleconnessione NAO− emerge più tardi nel ciclo delle fasi MJO (dopo la fase 8 della MJO) e si attenua prima di raggiungere il giorno zero del ritardo (al momento che corrisponderebbe alla fase 2 della MJO). Durante l’inverno esteso in condizioni di La Niña, si verificano meno episodi di MJO di lunga durata che persistono attraverso più fasi dopo la fase 8, rispetto agli altri stati ENSO (come mostrato nella Figura S1 nelle informazioni di supporto). Questo suggerisce che gli eventi nella tabella di contingenza durante la fase 2 sono spesso nuovi eventi, perdendo quindi l’anomalia della teleconnessione innescata nella fase 8, un risultato del metodo di analisi utilizzato. Gli aumenti delle occorrenze dei regimi AR e SB sono osservati dopo le fasi 4 e 6 della MJO, rispettivamente, e sono probabilmente attribuibili a sviluppi locali. Concludiamo quindi che l’unica teleconnessione MJO-NAE completa durante gli anni di La Niña è una forte teleconnessione NAO−, che si verifica con circa 1,5 fasi della MJO di ritardo rispetto agli anni neutri.

La modulazione dell’ENSO influisce sulla distribuzione spaziale e sull’intensità delle teleconnessioni MJO, in linea generale con le anomalie di frequenza osservate (Figura 1), concentrandosi sul ritardo di tre pentadi dalla MJO (Figura 2). Il chiaro schema del regime NAO+ segue le fasi 1-4 durante gli anni di El Niño (ma non nella teleconnessione media stagionale), e negli anni neutri questo segnale è evidente solo dopo la fase 3. Analogamente, il pattern AR che segue SB, dopo le fasi 4 e 3 della MJO rispettivamente, durante gli anni di La Niña, è anch’esso evidente nelle distribuzioni spaziali. La teleconnessione NAO− emerge durante gli anni neutri dopo la fase 6, ma il suo pattern spaziale si sposta verso nord e dalla fase 7 è quasi completamente dominato dal suo lobo negativo. Durante gli anni di El Niño dopo le fasi 6-8, anche il lobo negativo di NAO− è molto più esteso del lobo positivo, e la fase 8 durante gli anni di La Niña è anche collegata a uno spostamento verso nord del pattern del regime NAO−. Il risultato di avere raggruppato insieme gli anni di El Niño, neutri e La Niña per formare il gruppo “tutti gli anni” per ogni fase della MJO è evidente, con le anomalie più forti che contribuiscono maggiormente.

La figura presenta quattro pannelli distinti che esaminano la relazione tra le fasi della Madden-Julian Oscillation (MJO) e i regimi meteorologici del Nord Atlantico-Europeo (NAE) durante diversi stati dell’El Niño-Southern Oscillation (ENSO). L’obiettivo è capire come l’ENSO modula la teleconnessione tra la MJO e il clima della regione NAE.

Ogni pannello rappresenta un diverso stato dell’ENSO:

  • (a) Tutti gli anni: Questo pannello aggrega i dati indipendentemente dallo stato dell’ENSO. È utile per avere un’idea generale della relazione tra le fasi MJO e i regimi NAE.
  • (b) El Niño: Focalizzato sugli anni caratterizzati da condizioni di El Niño.
  • (c) Neutro: Considera gli anni in cui non si verifica né El Niño né La Niña.
  • (d) La Niña: Analizza gli anni in cui prevalgono le condizioni di La Niña.

Le barre nei grafici mostrano la percentuale anomala di occorrenza di un particolare regime meteorologico in relazione alla climatologia, per ciascuna fase della MJO. In altre parole, mostrano quanto più spesso o meno spesso un particolare regime si verifica rispetto a quanto ci si aspetterebbe basandosi sulla media di lungo termine.

  • Barre Arancioni: Indicano che il regime meteorologico è accaduto significativamente più spesso di quanto ci si aspetterebbe in base al valore climatologico. Ad esempio, se una barra arancione è alta per NAO+ dopo la fase 1 della MJO, significa che in quella fase e in quel ritardo di giorni, il regime NAO+ si è verificato più frequentemente rispetto alla media storica.
  • Barre Verdi: Significano l’opposto; il regime si verifica meno frequentemente di quanto ci si aspetterebbe.

Ogni barra è posizionata su una scala di giorni di ritardo (asse orizzontale), che indica il numero di giorni dopo ciascuna fase della MJO durante il quale è stata notata l’anomalia. Le anomalie possono essere positive (più frequenti) o negative (meno frequenti) e variano in base alla fase della MJO e allo stato dell’ENSO.

Per interpretare ciascun pannello, si considera la fase della MJO sull’asse verticale e si guarda attraverso l’asse orizzontale per vedere come cambiano le frequenze dei regimi meteorologici nel tempo dopo quella fase. Ad esempio, se ci focalizziamo su un pannello specifico, come quello degli anni di El Niño, possiamo notare che certe fasi della MJO sono seguite da un aumento significativo delle condizioni di NAO+, evidenziato da barre arancioni che si estendono oltre la linea di base, indicando che il regime NAO+ si verifica più spesso del normale in quei giorni specifici di ritardo. In contrasto, il pannello di La Niña mostra che non vi è una teleconnessione NAO+ e la teleconnessione NAO− si verifica più tardi nel ciclo della MJO, con le anomalie che svaniscono prima di un nuovo ciclo MJO.

In sintesi, questa figura è uno strumento per valutare come il clima della regione NAE possa essere influenzato dalle dinamiche tropicali associate alla MJO, e come queste interazioni siano ulteriormente modulate dal più ampio contesto dell’ENSO.

Percorsi Troposferici e Stratosferici: Dal MJO alla Regione NAE

Oltre al percorso troposferico di 10-15 giorni dal MJO alla regione NAE, esiste anche una via stratosferica sub-stagionale. Lo stato del vortice polare stratosferico influisce chiaramente sulle condizioni meteorologiche NAE (Scaife et al., 2005) (Charlton-Perez et al., 2018). Il NAO− è particolarmente sensibile a questo stato stratosferico, verificandosi nel 33% dei giorni dopo condizioni di vortice debole, ma solo nel 5% dei giorni dopo condizioni di vortice forte, mentre per NAO+ e AR si trova una sensibilità opposta e leggermente inferiore (Charlton-Perez et al., 2018). Il collegamento dal MJO alla stratosfera è primariamente guidato dalla propagazione delle onde di Rossby verticalmente e verso i poli (Garfinkel et al., 2012, 2014). Dopo la fase 7 del MJO, si forma una depressione nel Pacifico settentrionale, portando a un maggior flusso di calore e stabilendo anomalie di calore nella bassa stratosfera polare e un indebolimento del vortice polare stratosferico. Invece, la fase 3 porta a effetti opposti: raffreddamento anomalo nella stratosfera e un vortice polare rafforzato. Abbiamo trovato che il percorso MJO-vortice polare-NAE è particolarmente attivo durante gli anni di La Niña (Figura 3c), specialmente per il vortice indebolito seguendo le fasi 8 del MJO (corrispondenti al terzo pentade dopo le fasi 6-7 in Figura 2), associato con la depressione nel nord-ovest del Pacifico dopo la fase 7 del MJO, aumentando il flusso di calore verticale verso la stratosfera. C’è anche un vortice indebolito che segue da vicino le fasi 7-8 del MJO durante gli anni neutri, contribuendo all’aumentata occorrenza di NAO− intorno alle fasi 7-8 durante gli anni neutri e di La Niña (Figura 1). L’aumento della forza del vortice seguendo le fasi 2-3 del MJO (Figura 3c) fornisce un collegamento alla maggiore prevalenza di AR (Figura 1) dopo la fase 4 del MJO durante gli anni di La Niña. Le teleconnessioni su scala temporale più lunga modulano la teleconnessione sub-stagionale MJO-NAE cambiando dinamicamente lo stato di sfondo. Esiste un’associazione tra il MJO e l’oscillazione quasi-biennale stratosferica (QBO), che esercita un forte controllo sull’attività del MJO (Son et al., 2017), sulla sua propagazione (Densmore et al., 2019; Hendon & Abhik, 2018; Son et al., 2017), ampiezza (Densmore et al., 2019; Klotzbach et al., 2019) e persistenza (Lim et al., 2019), portando a una maggiore abilità di previsione del MJO durante gli inverni con QBO orientale (Lim et al., 2019). Sono necessarie ulteriori ricerche per indagare gli impatti dello stato di sfondo QBO sulla modulazione ENSO della teleconnessione sub-stagionale MJO-NAE. La teleconnessione stagionale ENSO-NAO avviene sia attraverso la stratosfera che la troposfera in simultanea (Jiménez-Esteve & Domeisen, 2018); tuttavia, entrambi seguono meccanismi molto simili a quelli osservati su scale sub-stagionali (Garfinkel et al., 2012, 2014). I meccanismi stratosferici stagionali (Jiménez-Esteve & Domeisen, 2018; Toniazzo & Scaife, 2006) si concentrano sulla modifica dell’ampiezza delle onde stazionarie extratropicali (Hamilton, 1993), e sulla forza del vortice polare stratosferico (Domeisen et al., 2019; Sassi et al., 2004), mentre i meccanismi troposferici (Jiménez-Esteve & Domeisen, 2018; Li & Lau, 2012) influenzano anche l’intensità delle perturbazioni transitorie, la latitudine e la velocità del getto del Pacifico settentrionale e la sua vicinanza al getto dell’Atlantico.

La Figura 2 è una rappresentazione grafica che mostra come il fenomeno El Niño Southern Oscillation (ENSO) modula le teleconnessioni della Madden-Julian Oscillation (MJO), evidenziato dalle anomalie dell’ampiezza della circolazione atmosferica a circa 5 km di altitudine (500 hPa).

La prima riga in alto mostra le anomalie di altezza geopotenziale per la climatologia completa e le anomalie stagionali. Le altre righe rappresentano le medie per le terze pentadi (blocchi di 5 giorni) associate a ciascuna delle fasi da 0 a 8 della MJO. Le anomalie sono misurate rispetto al ciclo stagionale medio per “tutti gli anni”.

Per “interpretare” questa figura, si possono osservare alcune tendenze:

  • Le anomalie positive (in rosso) e negative (in blu) mostrano rispettivamente dove l’atmosfera è più alta (anticiclonica, spesso associata a tempo più calmo) o più bassa (ciclonica, spesso associata a tempo più perturbato) rispetto alla media.
  • La distribuzione geografica di queste anomalie può influenzare i modelli meteorologici regionali, come la piovosità e la temperatura.
  • La variazione tra le colonne mostra come gli effetti della MJO differiscano a seconda dello stato ENSO: El Niño, Neutrale e La Niña.
  • Durante gli anni di El Niño, potrebbero esserci modelli distinti di anomalie rispetto agli anni neutri o La Niña, indicando che El Niño può intensificare o alterare le risposte atmosferiche alla MJO.
  • Le mappe sono focalizzate sull’emisfero nord, a nord del Tropico del Cancro, quindi gli effetti mostrati sono rilevanti per le regioni temperate e polari.

Queste mappe sono utili per i meteorologi e i climatologi per comprendere come le interazioni tra MJO e ENSO possano influenzare il tempo e il clima a livello regionale e stagionale. Attraverso tali analisi, è possibile anticipare i potenziali impatti sulla gestione delle risorse idriche, l’agricoltura, la gestione dei disastri naturali e altri settori sensibili alle condizioni meteorologiche.

La Figura 3 fornisce dati visivi su come la fase 3 della Madden-Julian Oscillation (MJO) sia influenzata da differenti stati di El Niño Southern Oscillation (ENSO) e come questo impatti la troposfera e la stratosfera.

Pannello (a): Presenta anomalie dell’altezza geopotenziale a 500 hPa nella zona temperata dell’emisfero nord (da 40°N a 60°N). Il diagramma di Hovmöller mostra l’evoluzione temporale e spaziale di queste anomalie durante la fase 3 della MJO. I colori caldi (giallo/rosso) indicano aree di alta pressione (anticicloni), mentre i colori freddi (blu) indicano aree di bassa pressione (cicloni).

Pannello (b): Mostra diverse caratteristiche atmosferiche a 300 hPa:

  • Isotache del vento zonale (contorni grigi): aree dove il vento soffia a 22 m/s.
  • Anomalie della funzione di corrente (contorni blu): modificazioni nella circolazione atmosferica.
  • Flusso di attività delle onde (vettori): indica dove le onde di Rossby si stanno muovendo attraverso l’atmosfera. Vettori grandi suggeriscono flussi di attività delle onde significativi; i vettori più piccoli non sono mostrati per chiarezza.
  • Anomalie di Outgoing Longwave Radiation (OLR) (colorazione): variazioni nella radiazione infrarossa emessa dall’atmosfera, che può indicare cambiamenti nella copertura nuvolosa e nell’umidità. Zone con meno OLR (blu) potrebbero corrispondere a nuvolosità aumentata, mentre zone con più OLR (rosso) a cielo più sgombro.

Pannello (c): Focalizza sulla risposta della forza del vortice polare stratosferico, misurata dal vento zonale a 100 hPa a 60°N. Questo grafico mostra come la forza del vortice cambia in risposta a ciascuna fase della MJO. La linea tratteggiata suggerisce la progressione approssimativa di uno stato costante della MJO nel tempo. Le aree non colorate indicano valori di forza del vortice che non hanno un impatto significativo sui regimi meteorologici della regione NAE, secondo i criteri definiti da Charlton-Perez et al. (2018).

In sintesi, questa figura illustra il legame complesso tra i grandi sistemi climatici (ENSO e MJO) e i loro effetti sulla circolazione atmosferica a diverse altitudini, che a loro volta influenzano i modelli meteorologici regionali. Dalle anomalie nel flusso delle onde di Rossby alla forza del vortice polare, queste interazioni sono cruciali per comprendere e prevedere il clima a scala globale.

La Figura 4 è uno schema che rappresenta come le condizioni di El Niño e La Niña influenzino le teleconnessioni sub-stagionali dalla Madden-Julian Oscillation (MJO) alla regione Nord Atlantico-Europa (NAE). Questo schema è diviso in quattro parti per illustrare gli effetti delle fasi 3 e 7 della MJO durante gli eventi di El Niño (pannelli rossi in alto) e La Niña (pannelli blu in basso).

El Niño – MJO Fase 3 (Pannello in Alto a Sinistra):

  • Sotto l’influenza di El Niño e durante la fase 3 della MJO, si osserva un forte treno di onde di Rossby che contribuisce alla formazione di una NAO+.
  • La vicinanza dei getti atmosferici favorisce la rottura anticionica delle onde (AWB), ma non si evidenzia un miglioramento del collegamento sub-stagionale con il vortice polare.
  • La stratosfera è più fredda, con un vortice polare più forte.

El Niño – MJO Fase 7 (Pannello in Alto a Destra):

  • Durante la fase 7 della MJO, non si osservano formazioni di dipoli convettivi vicino ai getti, il che è associato a un sviluppo in situ di una NAO−.
  • La stratosfera è più calda, con un vortice polare più debole, e manca un collegamento sub-stagionale rafforzato con il vortice polare.

La Niña – MJO Fase 3 (Pannello in Basso a Sinistra):

  • Durante La Niña, la fase 3 della MJO è caratterizzata da una diminuzione del flusso di calore verticale e dalla separazione dei getti atmosferici.
  • Questo porta a un accoppiamento verso il basso e alla formazione di AR, un regime meteorologico associato a pioggia.
  • La convezione è combinata e distribuita su un’area più vasta.

La Niña – MJO Fase 7 (Pannello in Basso a Destra):

  • Nella fase 7, si ha un incremento del flusso di calore verticale, che potrebbe favorire la propagazione verticale delle onde di Rossby.
  • La stratosfera risulta più calda e il vortice polare più debole, con un accoppiamento verso il basso che porta alla formazione di una NAO−.
  • Anche in questo scenario non si osserva un rafforzamento sub-stagionale del collegamento con il vortice polare.

AWB e CWB (rottura delle onde anticionica e ciclonica) sono meccanismi critici che contribuiscono alla formazione delle fasi della NAO. Le segnalazioni di convezione anomala (linee continue per l’attività potenziata e linee tratteggiate per l’attività soppressa) rappresentano la MJO come influenzata dalla circolazione su larga scala dell’ENSO.

In sintesi, questo schema sintetizza le interazioni complesse tra la MJO, l’ENSO e la circolazione atmosferica che possono portare a significativi cambiamenti nei modelli climatici della regione NAE.

4. Discussione

I nostri risultati mostrano che le connessioni a scala sub-stagionale dalla MJO ai regimi climatici della regione NAE sono fortemente influenzate dallo stato di fondo dell’ENSO (schema riassuntivo: Figura 4). La connessione troposferica del regime NAO+ dalle fasi 1-5 della MJO è significativamente rafforzata durante gli anni caratterizzati da El Niño, estendendosi su più fasi della MJO, mentre viene attenuata negli anni di La Niña. La connessione del regime NAO− attraverso la stratosfera dalle fasi 7-8 della MJO è più marcata e si verifica più in ritardo durante gli anni di La Niña, al contrario viene ridotta negli anni di El Niño. Gli anni neutri mostrano elementi di entrambe queste connessioni. La progressione dei regimi NAE, lo sviluppo localizzato e i diversi meccanismi di connessione dinamica diventano più evidenti quando analizzati attraverso questa prospettiva differenziata per stato dell’ENSO. L’anomalia della circolazione dell’ENSO modifica la convezione della MJO, influenzando le onde di Rossby che vengono generate e i loro percorsi di connessione verso la regione NAE.

I cambiamenti nella distribuzione dei regimi meteorologici forniscono prova della rettificazione delle connessioni a scala sub-stagionale sulla media stagionale. Questa rettificazione suggerisce che è essenziale rappresentare accuratamente questa connessione a scala sub-stagionale in qualsiasi modello di circolazione generale utilizzato per studiare gli stati climatici e le loro interazioni. La dipendenza delle connessioni dallo stato di sfondo indica una possibile sensibilità delle connessioni MJO-NAE ai cambiamenti climatici, in particolare qualsiasi cambiamento nell’ENSO, nei getti troposferici e nel vortice polare stratosferico. Tale dipendenza ha anche significative implicazioni per la prevedibilità a scala sub-stagionale, comprese le variazioni interannuali nella competenza predittiva sub-stagionale. Per esempio, la maggiore probabilità di un regime NAO+ in seguito alle fasi 1-5 della MJO durante gli anni di El Niño suggerisce che tale regime è probabilmente più prevedibile durante gli anni di El Niño, dato che la connessione è più forte. Questo vale per la prevedibilità del sistema climatico e per l’affidabilità predittiva dei modelli numerici sub-stagionali, che possono rappresentare accuratamente questi processi. Ciò sottolinea anche l’importanza che i modelli rappresentino correttamente lo stato di sfondo per descrivere queste connessioni, oltre ad avere un’adeguata capacità di rappresentare la MJO.

Pertanto, è possibile che gli errori nella connessione della regione MJO-NAE siano correlati a errori nello stato di sfondo, che possono includere la rappresentazione nel modello dell’interazione ENSO-MJO, lo stato medio che evolve stagionalmente e le connessioni stagionali dell’ENSO. Infine, notiamo che se queste connessioni risultano troppo deboli, possono contribuire al cosiddetto “paradosso del segnale-rumore” (Scaife & Smith, 2018) osservato nei modelli di previsione stagionale (Dunstone et al., 2016; Scaife et al., 2014) a causa di una mancanza di persistenza dei regimi meteorologici (Strommen & Palmer, 2019).

file:///C:/Users/aless/Downloads/Geophysical%20Research%20Letters%20-%202019%20-%20Lee%20-%20ENSO%20Modulation%20of%20MJO%20Teleconnections%20to%20the%20North%20Atlantic%20and%20Europe.pdf

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