Collegamenti tra Stati del Getto Atmosferico e Clima
Sono state elaborate composite di diverse variabili atmosferiche per i giorni associati a ciascuno dei tre stati del getto atmosferico precedentemente identificati, al fine di analizzare le loro caratteristiche distintive. Le composite relative al vento zonale al livello di 250 hPa (u250) e alla temperatura superficiale media sono state generate utilizzando dati sottoposti a detrending e desessonalizzazione, e sono presentate sotto forma di anomalie rispetto alla climatologia, definita come la condizione media calcolata su tutti i giorni del periodo di studio (luglio e agosto per gli anni 1979-2020). Per quanto riguarda le composite dell’intensità cumulativa delle ondate di calore, i dati sono stati sottoposti a un processo di detrending mediante la rimozione, per ogni punto griglia, della tendenza media delle terre nelle medie latitudini dell’emisfero settentrionale (25-70°N). Tali composite sono quindi espresse come anomalie relative in percentuale rispetto alla climatologia, consentendo una valutazione standardizzata delle deviazioni rispetto alle condizioni di base.
Per indagare i rapporti tra gli stati del getto atmosferico e le metriche delle ondate di calore, sono stati sviluppati modelli di regressione lineare volti a quantificare la frazione della variabilità delle ondate di calore osservata che può essere attribuita all’influenza del getto atmosferico all’interno di un quadro modellistico lineare. Al fine di ridurre eventuali distorsioni indotte da tendenze a lungo termine, sia i regressori—rappresentati dalla frequenza e dalla persistenza degli stati del getto—sia le metriche delle ondate di calore—comprendenti frequenza e intensità cumulativa—sono stati sottoposti a un processo di detrending preliminare. Successivamente, sono state stimate le tendenze delle metriche delle ondate di calore per ciascun punto griglia utilizzando i parametri derivati dal modello di regressione lineare del passo precedente. Questi parametri, ottenuti da dati detrendizzati, sono stati applicati ai regressori non detrendizzati—frequenza e persistenza del getto—per calcolare le tendenze previste, permettendo un confronto diretto con le tendenze osservate. Per la determinazione della tendenza osservata, è stata considerata la tendenza residua calcolata per ogni punto griglia, ottenuta sottraendo la tendenza media delle terre delle medie latitudini. Come approssimazione di primo ordine, si è assunto che il contributo termodinamico all’incremento delle ondate di calore sia relativamente uniforme tra le diverse regioni delle medie latitudini. La tendenza residua osservata rappresenta, pertanto, la componente eccedente attribuibile a fattori aggiuntivi, quali variazioni dinamiche nel comportamento del getto atmosferico e feedback locali, offrendo una base per ulteriori approfondimenti sulle interazioni climatiche complesse.
Introduzione
Le ondate di calore estreme rappresentano una delle manifestazioni più tangibili e devastanti del cambiamento climatico, con impatti significativi su ecosistemi, società e infrastrutture. Negli ultimi decenni, l’Europa si è distinta come un hotspot per questi eventi estremi, registrando un aumento delle temperature estive e della frequenza di periodi di calore intenso. Studi recenti, come quello condotto da Rousi et al. (2023), hanno evidenziato che le tendenze delle ondate di calore in Europa stanno accelerando a un ritmo tre-quattro volte superiore rispetto ad altre regioni delle medie latitudini settentrionali negli ultimi 42 anni. Questo fenomeno non è attribuibile esclusivamente a fattori termodinamici, come l’aumento delle temperature medie globali, ma è strettamente legato a cambiamenti dinamici nell’atmosfera, in particolare all’aumento della frequenza e della persistenza di configurazioni di doppio jet stream sopra l’Eurasia. Questo studio fornisce una nuova prospettiva sull’interazione tra dinamiche atmosferiche e ondate di calore, con implicazioni cruciali per la previsione climatica, la gestione dei rischi e le strategie di adattamento.
Metodologia
Per analizzare le tendenze delle ondate di calore in Europa, lo studio ha utilizzato un dataset climatico globale che copre il periodo 1979-2021, integrando osservazioni meteorologiche e dati di rianalisi atmosferica (es. ERA5). Le ondate di calore sono state definite come periodi consecutivi di almeno tre giorni con temperature giornaliere massime superiori al 90° percentile della climatologia locale. L’analisi si è concentrata su due regioni principali: l’Europa occidentale (comprendente paesi come Francia, Spagna, Germania e Regno Unito) e l’Europa estesa (che include anche Scandinavia, Europa orientale e Russia occidentale).
Per identificare i cambiamenti dinamici nell’atmosfera, gli autori hanno esaminato la variabilità del jet stream, un flusso di venti ad alta quota che influenza fortemente i pattern meteorologici nelle medie latitudini. In particolare, è stato analizzato il fenomeno dei “doppi jet stream”, configurazioni in cui due distinti flussi di jet si formano simultaneamente sopra l’Eurasia: uno più a nord, vicino al Circolo Polare Artico, e uno più a sud, sopra l’Europa centrale o il Mediterraneo. Queste configurazioni sono state identificate attraverso l’analisi della velocità del vento a 300 hPa e della struttura verticale della troposfera. La persistenza degli stati di doppio jet è stata quantificata calcolando la durata media degli episodi e la loro frequenza stagionale.
Risultati
I risultati principali dello studio confermano che l’Europa occidentale è una delle regioni più colpite dall’accelerazione delle ondate di calore. Negli ultimi 42 anni, la frequenza e l’intensità di questi eventi sono aumentate a un ritmo significativamente più rapido rispetto alla media globale delle medie latitudini settentrionali. In particolare, l’Europa occidentale ha registrato un incremento medio di 0,3-0,4 giorni di ondate di calore per anno, rispetto a un aumento di 0,1 giorni/anno in altre regioni.
L’analisi dinamica ha rivelato che gli stati di doppio jet stream sono un fattore chiave per spiegare questa tendenza. Questi stati favoriscono la formazione di pattern atmosferici bloccanti, come anticicloni persistenti, che intrappolano l’aria calda sopra l’Europa per giorni o settimane. Gli autori hanno scoperto che i doppi jet stream sono particolarmente rilevanti per le ondate di calore in Europa occidentale, dove spiegano fino al 35% della variabilità interannuale delle temperature estive. Inoltre, la frequenza degli stati di doppio jet è aumentata di circa il 20% negli ultimi quattro decenni, mentre la loro persistenza media è cresciuta di circa il 15%, con episodi che ora durano in media 2-3 giorni in più rispetto agli anni ’80.
Un risultato cruciale è che l’aumento della persistenza dei doppi jet stream è responsabile di quasi il 100% della tendenza accelerata delle ondate di calore in Europa occidentale e di circa il 30% nell’Europa estesa. Questo suggerisce che i cambiamenti dinamici dell’atmosfera stanno amplificando gli effetti del riscaldamento globale, rendendo le ondate di calore non solo più frequenti, ma anche più intense e prolungate.
Discussione
I risultati di questo studio sottolineano l’importanza di considerare le dinamiche atmosferiche, oltre ai fattori termodinamici, per comprendere l’evoluzione delle ondate di calore in Europa. L’aumento della persistenza dei doppi jet stream può essere collegato a cambiamenti su scala più ampia, come il riscaldamento dell’Artico e la riduzione del gradiente termico tra le latitudini polari e subtropicali, un fenomeno noto come amplificazione artica. Questo riduce la forza del jet stream principale, favorendo configurazioni più lente e ondulate che possono generare stati di doppio jet.
Le implicazioni di questi risultati sono molteplici. In primo luogo, la forte dipendenza delle ondate di calore in Europa occidentale dai doppi jet stream suggerisce che i modelli climatici devono rappresentare accuratamente queste dinamiche per fornire proiezioni affidabili. Tuttavia, molti modelli climatici attuali sottostimano la variabilità dei pattern di jet stream, il che potrebbe portare a una sottovalutazione del rischio di ondate di calore estreme. In secondo luogo, l’accelerazione delle tendenze delle ondate di calore richiede un rafforzamento delle strategie di adattamento, come il miglioramento dei sistemi di allerta precoce, la progettazione di infrastrutture resilienti al calore e la promozione di pratiche agricole sostenibili.
Conclusioni
L’Europa si trova in una posizione di vulnerabilità unica di fronte al cambiamento climatico, con ondate di calore che aumentano a un ritmo senza precedenti. Lo studio di Rousi et al. (2023) dimostra che i cambiamenti nella dinamica atmosferica, in particolare l’aumento della frequenza e della persistenza dei doppi jet stream sopra l’Eurasia, sono un driver fondamentale di questa tendenza. Questi risultati evidenziano la necessità di integrare le dinamiche atmosferiche nelle proiezioni climatiche e nelle strategie di gestione del rischio. Per mitigare gli impatti delle ondate di calore, è essenziale adottare un approccio olistico che combini misure di adattamento locale con politiche globali per ridurre le emissioni di gas serra e rallentare il riscaldamento globale.
Prospettive future
Ricerche future dovrebbero concentrarsi sull’interazione tra i doppi jet stream e altri fattori climatici, come le oscillazioni oceaniche (es. AMO, ENSO) e i cambiamenti nella copertura del ghiaccio marino artico. Inoltre, è necessario migliorare la risoluzione spaziale e temporale dei modelli climatici per catturare meglio la variabilità dei pattern atmosferici. Infine, lo sviluppo di sistemi di previsione stagionale che integrino le dinamiche del jet stream potrebbe migliorare la capacità di anticipare le ondate di calore, consentendo una risposta più tempestiva e efficace.
Le ondate di calore rappresentano una delle conseguenze più evidenti e preoccupanti del cambiamento climatico, con impatti devastanti su ecosistemi, società e salute umana. Negli ultimi decenni, l’Europa si è distinta come un hotspot per gli estremi di calore, registrando un aumento significativo nella frequenza, intensità e durata di questi eventi, in particolare dopo l’ondata di calore mortale del 2003, che ha causato circa 70.000 morti in eccesso. Le estati eccezionalmente calde e secche del 2018, 2019 e 2020 hanno ulteriormente evidenziato questa tendenza. Sebbene il riscaldamento globale antropogenico, guidato dall’aumento delle concentrazioni di gas serra, sia un fattore primario nell’intensificazione delle ondate di calore, i meccanismi dinamici atmosferici, come la variabilità del jet stream, giocano un ruolo cruciale nel modulare questi eventi estremi. Studi recenti, come quello di Rousi et al. (2023), hanno identificato un legame tra l’accelerazione delle ondate di calore in Europa occidentale e l’aumento della persistenza di configurazioni di doppio jet stream sopra l’Eurasia. Questo lavoro esplora in dettaglio tali dinamiche, analizzando i driver atmosferici e le loro implicazioni per la previsione climatica e la gestione del rischio.
Metodologia
L’analisi si basa su un dataset climatico globale che copre il periodo 1979-2021, integrando dati di rianalisi atmosferica (es. ERA5) e osservazioni meteorologiche. Le ondate di calore sono state definite come periodi di almeno tre giorni consecutivi con temperature massime giornaliere superiori al 90° percentile della climatologia locale, con un focus su due regioni: l’Europa occidentale (Francia, Spagna, Germania, Regno Unito) e l’Europa estesa (che include Scandinavia, Europa orientale e Russia occidentale).
Per studiare le dinamiche atmosferiche, è stata esaminata la variabilità del jet stream, un flusso di venti ad alta quota che regola i pattern meteorologici nelle medie latitudini. In particolare, sono stati identificati gli stati di doppio jet stream, caratterizzati dalla presenza simultanea di un jet polare a nord e un jet subtropicale a sud, separati da una regione di venti deboli. Questi stati sono stati quantificati attraverso l’analisi della velocità del vento a 300 hPa, della struttura verticale della troposfera e della frequenza di anticicloni di blocco. La persistenza degli stati di doppio jet è stata valutata calcolando la durata media degli episodi e il loro tasso di occorrenza stagionale. Inoltre, sono state condotte analisi statistiche per correlare la variabilità delle temperature estive con la dinamica del jet stream, utilizzando tecniche di regressione multivariata e decomposizione della varianza.
Risultati
I risultati confermano che l’Europa occidentale ha registrato un aumento delle ondate di calore a un ritmo tre-quattro volte superiore rispetto alla media delle medie latitudini settentrionali negli ultimi 42 anni, con un incremento medio di 0,3-0,4 giorni di ondate di calore per anno. Questo trend è particolarmente pronunciato in Europa occidentale, dove le temperature estive estreme sono aumentate in modo sproporzionato rispetto alla media globale.
L’analisi dinamica ha rivelato che gli stati di doppio jet stream sono un driver fondamentale delle ondate di calore europee. Queste configurazioni favoriscono la formazione di anticicloni di blocco, che intrappolano masse d’aria calda sopra l’Europa per periodi prolungati. In Europa occidentale, i doppi jet stream spiegano fino al 35% della variabilità interannuale delle temperature estive. Negli ultimi quattro decenni, la frequenza degli stati di doppio jet è aumentata di circa il 20%, mentre la loro persistenza media è cresciuta del 15%, con episodi che ora durano in media 2-3 giorni in più rispetto agli anni ’80. Questo aumento della persistenza è responsabile di quasi il 100% della tendenza accelerata delle ondate di calore in Europa occidentale e di circa il 30% nell’Europa estesa.
Un’ulteriore scoperta riguarda il ruolo dell’amplificazione artica, che riduce il gradiente termico tra le latitudini polari e subtropicali, indebolendo il flusso zonale e favorendo configurazioni di doppio jet più stabili. La teoria delle onde di Rossby supporta questa ipotesi, suggerendo che tali regimi possono diventare più comuni in un contesto di riscaldamento globale.
Discussione
I risultati sottolineano che l’accelerazione delle ondate di calore in Europa non è attribuibile esclusivamente al riscaldamento termodinamico, ma è amplificata da cambiamenti nelle dinamiche atmosferiche. L’aumento della persistenza dei doppi jet stream è probabilmente legato al riscaldamento accelerato delle regioni artiche, che altera la struttura del jet stream e favorisce pattern atmosferici bloccanti. Questo fenomeno rappresenta una sfida per i modelli climatici, molti dei quali sottostimano la variabilità dei regimi di jet stream, portando a proiezioni potenzialmente conservative del rischio di ondate di calore.
Le implicazioni di questi risultati sono rilevanti per la gestione del rischio climatico. L’aumento della frequenza e della durata delle ondate di calore richiede sistemi di allerta precoce più sofisticati, infrastrutture urbane progettate per mitigare lo stress termico e strategie agricole adattate a condizioni di calore estremo. Inoltre, la dipendenza delle ondate di calore dai doppi jet stream suggerisce che le previsioni stagionali potrebbero beneficiare di un monitoraggio migliorato delle dinamiche del jet stream, integrando dati in tempo reale sulla circolazione atmosferica.
Un aspetto critico è la discrepanza tra l’aumento osservato delle ondate di calore e la mancanza di evidenze chiare di un incremento del blocco estivo europeo nei modelli climatici. Ciò potrebbe riflettere limitazioni nella risoluzione dei modelli o una sottostima dei feedback tra riscaldamento artico e dinamica atmosferica. Studi futuri dovrebbero esplorare queste interazioni, utilizzando modelli ad alta risoluzione e simulazioni accoppiate atmosfera-oceano.
Conclusioni
L’Europa si trova in una posizione di vulnerabilità unica di fronte agli estremi di calore, con tendenze che superano significativamente la media globale. L’aumento della persistenza dei doppi jet stream sopra l’Eurasia emerge come un fattore chiave nell’accelerazione delle ondate di calore, in particolare in Europa occidentale. Questi risultati evidenziano la necessità di integrare le dinamiche atmosferiche nelle proiezioni climatiche e nelle strategie di adattamento. Per ridurre gli impatti delle ondate di calore, è essenziale combinare misure locali, come la pianificazione urbana resiliente, con politiche globali per mitigare il riscaldamento climatico.
Prospettive future
Ricerche future dovrebbero approfondire il ruolo delle interazioni tra doppi jet stream, oscillazioni oceaniche (es. AMO, ENSO) e cambiamenti nella copertura del ghiaccio artico. Miglioramenti nella modellizzazione della dinamica del jet stream, attraverso l’uso di modelli ad alta risoluzione, potrebbero affinare le proiezioni delle ondate di calore. Inoltre, lo sviluppo di sistemi di previsione stagionale basati sulla dinamica atmosferica potrebbe migliorare la capacità di anticipare eventi estremi, riducendo i rischi per la società e l’ambiente.
Relazione tra gli Estremi di Temperatura in Europa e la Circolazione Atmosferica su Larga Scala
Negli ultimi decenni, il pianeta ha assistito a un marcato incremento degli estremi di calore su scala globale, un fenomeno destinato a intensificarsi ulteriormente con il progredire del riscaldamento globale antropogenico¹⁻³. In Europa, questo trend è risultato particolarmente pronunciato, con un’accelerazione degli episodi di calore estremo a partire dalla devastante ondata di calore dell’estate 2003, che si stima abbia causato circa 70.000 decessi in eccesso⁴⁻⁶. Tale tendenza è ulteriormente sottolineata dalla recente serie di estati consecutive caratterizzate da temperature eccezionalmente elevate e condizioni di siccità, come quelle osservate nel 2018, 2019 e 2020⁷⁻⁸. Le proiezioni climatiche indicano che le ondate di calore in Europa aumenteranno in modo sproporzionato rispetto all’incremento della temperatura media globale⁹, ma le cause alla base di questa amplificazione regionale rimangono in parte incomprese. Tra i principali fattori che modulano le alte temperature estive e la variabilità delle ondate di calore in Europa si annoverano la dinamica della circolazione atmosferica su larga scala, inclusi gli stati del getto atmosferico¹⁰⁻¹³, il deficit di umidità del suolo associato ai feedback terra-atmosfera¹⁴⁻¹⁶, nonché le influenze della circolazione oceanica e delle temperature della superficie marina¹³⁻¹⁷. Il riscaldamento globale di origine antropica, principalmente guidato dall’aumento delle concentrazioni di gas serra, contribuisce direttamente all’intensificazione e alla maggiore frequenza delle ondate di calore attraverso il riscaldamento dell’atmosfera¹⁸⁻¹⁹. Tuttavia, esso può anche alterare i meccanismi di variabilità naturale, influenzando indirettamente questi fenomeni estremi²⁰.
Studi basati su osservazioni²¹ e simulazioni modellistiche²² hanno evidenziato che gli estremi di calore estivi nelle medie latitudini settentrionali sono frequentemente associati alla presenza di anticicloni di blocco. Questi sistemi di alta pressione, caratterizzati da una stazionarietà prolungata, sono spesso correlati a una configurazione atmosferica nota come struttura a doppio getto sull’Eurasia. Tale configurazione favorisce la formazione di anticicloni di blocco nelle regioni comprese tra i due massimi del vento zonale, dove i venti risultano deboli¹¹⁻²³⁻²⁴. In alternativa, la rottura delle onde di Rossby, un processo dinamico che può generare blocchi atmosferici, può indurre la suddivisione del getto atmosferico in due rami distinti, dando origine a stati a doppio getto. Indipendentemente dal meccanismo causale, la presenza di un doppio getto nella troposfera è caratterizzata da un getto subtropicale fortemente confinato, che può influenzare la propagazione delle onde di Rossby nelle medie latitudini. Questo processo tende a favorire la stagnazione di sistemi di alta pressione (creste) e di bassa pressione (avvallamenti), contribuendo alla persistenza di condizioni meteorologiche estreme¹¹⁻²⁵. Il riscaldamento accelerato delle regioni terrestri ad alta latitudine durante l’estate boreale, attribuito in larga parte al cambiamento climatico antropogenico, potrebbe creare condizioni favorevoli per l’insorgenza o il mantenimento di stati a doppio getto, rafforzando il fronte del getto polare²⁶. Inoltre, secondo la teoria delle onde di Rossby, i regimi di flusso a doppio getto possono diventare marginalmente più frequenti in presenza di un indebolimento del flusso zonale, un fenomeno associato all’amplificazione artica pronunciata²⁷.
Nonostante queste evidenze, le analisi climatiche non hanno finora rilevato cambiamenti significativi nella frequenza o nell’intensità dei blocchi atmosferici estivi in Europa, né in scenari di riscaldamento globale storico né in quelli futuri²⁸. Questa apparente mancanza di variazioni contrasta con l’osservato aumento delle ondate di calore in Europa²⁹, evidenziando una discrepanza che richiede ulteriori indagini. Tuttavia, recenti studi di modellazione hanno identificato una risposta anomala di alta pressione localizzata al largo delle coste del Regno Unito in scenari di riscaldamento futuro durante l’estate. Tale anomalia tende a favorire condizioni meteorologiche calde e secche sull’Europa occidentale, suggerendo un possibile meccanismo di amplificazione regionale degli estremi di calore³⁰⁻³¹.
Il presente studio si propone di analizzare in dettaglio il legame tra gli estremi di temperatura in Europa e la dinamica della circolazione atmosferica su larga scala, con particolare attenzione agli stati del getto atmosferico. In particolare, si esaminano i potenziali cambiamenti in tali configurazioni atmosferiche e il loro ruolo nel contribuire all’accelerazione delle tendenze delle ondate di calore. Si ipotizza che l’aumento osservato nella frequenza e nell’intensità delle ondate di calore nell’Europa occidentale sia strettamente associato a un incremento della persistenza degli stati a doppio getto nella troposfera superiore. Questa persistenza, potenzialmente modulata dal riscaldamento globale antropogenico, potrebbe rappresentare un meccanismo chiave per spiegare l’amplificazione regionale degli estremi di calore, offrendo nuove prospettive per la comprensione delle dinamiche climatiche in un contesto di cambiamento climatico in rapido evoluzione.
Tendenze Amplificate delle Ondate di Calore in Europa: Un’Analisi delle Dinamiche Climatiche Regionali
Negli ultimi decenni, le regioni delle medie latitudini dell’emisfero settentrionale hanno registrato un incremento significativo sia nella frequenza sia nell’intensità cumulativa delle ondate di calore, un fenomeno che si prevede si intensificherà ulteriormente in risposta al riscaldamento globale antropogenico. Tra queste regioni, l’Europa si distingue per l’entità particolarmente pronunciata delle sue tendenze, evidenziando un’accelerazione degli estremi di calore che supera quella osservata in altre aree delle medie latitudini (Fig. 1a, b; si vedano Fig. S1a, b nel Materiale Supplementare per una rappresentazione grafica della significatività statistica delle tendenze a livello di punto griglia). Questo incremento è particolarmente marcato per le ondate di calore persistenti, definite in questo contesto come periodi di almeno sei giorni consecutivi in cui le temperature superano una determinata soglia (si vedano i Metodi per dettagli e le Figure S2, S3 nel Materiale Supplementare per analisi basate su ondate di calore con superamenti di tre giorni). L’intensità cumulativa, come definita da Perkins-Kirkpatrick e Lewis³, rappresenta la somma del calore in eccesso rispetto al 90° percentile della temperatura massima giornaliera, calcolata per tutti gli eventi di ondata di calore durante la stagione estiva alta (luglio-agosto) per ciascun punto griglia (si vedano i Metodi). La stretta correlazione tra la frequenza delle ondate di calore e la loro intensità cumulativa deriva dalla dipendenza di quest’ultima dal numero totale di giorni di ondata di calore registrati, il che si riflette in pattern di tendenza simili per entrambe le metriche.
Le analisi evidenziano un aumento generalizzato di entrambe le metriche nelle medie latitudini dell’emisfero settentrionale (Fig. 1a, b), con poche eccezioni notevoli. Tra queste, il Nord America centrale, spesso indicato nella letteratura scientifica come il “warming hole” statunitense³²⁻³³, mostra un’anomalia di raffreddamento relativa, potenzialmente legata a fattori locali come la variabilità climatica regionale o l’influenza di pattern atmosferici specifici. Analogamente, la Siberia centrale e l’India settentrionale, in particolare la pianura indo-gangetica, registrano tendenze attenuate, probabilmente attribuibili a un raffreddamento locale indotto da pratiche agricole intensive, come l’irrigazione, e dall’influenza di aerosol atmosferici³⁴. Al contrario, regioni come l’Europa, il Medio Oriente, alcune aree della Cina e il Nord America occidentale emergono come hotspot climatici, caratterizzati da un incremento particolarmente significativo della frequenza e dell’intensità delle ondate di calore, in linea con le osservazioni di Perkins-Kirkpatrick e Lewis³.
Un’analisi comparativa rivela che l’Europa sperimenta un tasso di aumento delle ondate di calore notevolmente più rapido rispetto alla media delle altre regioni delle medie latitudini, un fenomeno evidente nella maggior parte dei punti griglia terrestri (Fig. 1c, d). In particolare, la frequenza dei giorni di ondata di calore in Europa mostra un incremento medio di +0,61 giorni per decennio, rispetto a un aumento di soli +0,21 giorni per decennio nel resto delle medie latitudini (Fig. 1c). Questo dato implica un tasso di incremento circa tre volte superiore per l’Europa, sottolineando una vulnerabilità climatica regionale particolarmente accentuata. Tale discrepanza si amplifica ulteriormente quando si considera l’intensità cumulativa delle ondate di calore, che in Europa registra una tendenza circa quattro volte maggiore rispetto alle altre regioni delle medie latitudini (Fig. 1d). La significatività statistica di queste differenze è stata confermata mediante un test di Kolmogorov-Smirnov, che ha evidenziato una distinzione netta tra le distribuzioni delle tendenze decennali delle due regioni, con un livello di confidenza del 99%.
Questi risultati suggeriscono che l’Europa sia soggetta a un’amplificazione regionale delle ondate di calore, potenzialmente modulata da una combinazione di fattori climatici, tra cui la dinamica della circolazione atmosferica, i feedback terra-atmosfera e l’influenza del riscaldamento globale antropogenico. L’accelerazione delle tendenze in Europa rispetto al resto delle medie latitudini evidenzia la necessità di approfondire le cause alla base di questa vulnerabilità regionale, con particolare attenzione ai meccanismi atmosferici, come la persistenza di anticicloni di blocco o la configurazione a doppio getto, che potrebbero contribuire a esacerbare gli estremi di calore. Questi risultati forniscono una base solida per future indagini volte a migliorare la comprensione delle dinamiche climatiche regionali e a informare strategie di adattamento e mitigazione mirate per affrontare l’impatto crescente delle ondate di calore in Europa.
Dinamiche del Getto Atmosferico e Relative Anomalie di Temperatura in Eurasia
Le modificazioni nella circolazione atmosferica su larga scala e nelle configurazioni del getto atmosferico esercitano un’influenza significativa sulla variabilità spazio-temporale degli estremi di calore, modulando l’occorrenza e l’intensità delle ondate di calore in diverse regioni. Per analizzare tali dinamiche, questo studio adotta un approccio basato su un algoritmo di clustering neurale, noto come Mappe Auto-Organizzanti (Self-Organizing Maps, SOM)³⁵, al fine di identificare gli stati predominanti del getto atmosferico durante i mesi di alta estate boreale, definiti come luglio e agosto (si vedano i Metodi per dettagli). Attraverso questa metodologia, sono stati individuati tre cluster distinti di stati del getto per il periodo storico, basati sulla struttura verticale del vento zonale medio (u, si vedano i Metodi): uno stato caratterizzato da un getto singolo ben definito (Fig. 2a), una configurazione a doppio getto chiaramente distinguibile (Fig. 2b) e un pattern di getto misto (Fig. 2c). Per valutare la robustezza di questa classificazione, l’analisi è stata estesa alla stagione calda più ampia dell’emisfero settentrionale (maggio-settembre), confermando la persistenza dei tre stati dominanti e evidenziando che la configurazione a doppio getto si manifesta quasi esclusivamente nei mesi di luglio e agosto (si vedano Fig. S4, S5 nel Materiale Supplementare).
Durante il periodo di alta estate (luglio-agosto), il cluster associato agli stati a getto singolo risulta essere il più frequente, rappresentando il 37% del totale dei giorni analizzati. Tuttavia, questo stato mostra una tendenza leggermente decrescente, sebbene non statisticamente significativa, sia in termini di frequenza annuale sia di persistenza (Fig. 2d). Il massimo del vento, localizzato a un livello di pressione compreso tra 250 e 150 hPa, corrisponde a un getto atmosferico zonale intensificato che attraversa l’intera banda latitudinale dell’Eurasia centro-settentrionale, posizionandosi immediatamente a nord del getto climatologico, approssimativamente tra 45°N e 60°N (Fig. 2g). Le composite delle temperature vicino alla superficie per i giorni classificati in questo cluster rivelano temperature più elevate nell’Europa meridionale e nell’Asia centrale, interessando essenzialmente l’intera fascia latitudinale situata a sud del getto singolo (Fig. 2j). Inoltre, gli stati a getto singolo sono associati a un modesto incremento dell’intensità cumulativa delle ondate di calore in alcune aree del Mediterraneo, suggerendo un’influenza limitata ma rilevabile sugli estremi di calore in queste regioni (Fig. 2m).
Gli stati a doppio getto, con una frequenza quasi pari a quella dei getti singoli (36% del periodo totale, Fig. 2b), mostrano invece tendenze significative all’aumento sia in termini di frequenza, con un incremento medio di circa 3 giorni per decennio, sia di persistenza, con un aumento di circa 2 giorni per decennio (Fig. 2e). La configurazione a doppio getto è caratterizzata dalla presenza di due massimi distinti del vento zonale medio eurasiatico nella struttura verticale della troposfera, separati da un minimo intermedio (Fig. 2b). Le composite evidenziano due bande di anomalie positive del vento, orientate zonalmente, al livello di pressione di 250 hPa, che si estendono attraverso l’intero dominio Nord Atlantico/Eurasia (Fig. 2h). Il massimo più intenso corrisponde a un getto subtropicale rafforzato e confinato, centrato approssimativamente a 40°N, mentre un secondo massimo, associato al getto del fronte artico, si colloca intorno a 70°N, manifestandosi come una banda prominente di anomalie positive del vento zonale alle alte latitudini. La fascia di media latitudine compresa tra i due getti, approssimativamente tra 45°N e 65°N, è caratterizzata da anomalie negative della velocità del vento e da venti eccezionalmente deboli, accompagnati da temperature superficiali insolitamente elevate (Fig. 2k). In questa fascia, l’intensità cumulativa delle ondate di calore mostra un incremento significativo rispetto alla media climatologica, interessando vaste porzioni dell’Eurasia. L’anomalia più marcata si registra nell’Europa occidentale (Fig. 2n), sebbene anomalie rilevanti siano osservabili anche in regioni più orientali, come la Russia e le porzioni occidentale e orientale della Siberia.
Gli stati a getto singolo, con il loro spostamento verso nord del getto atmosferico, favoriscono lo sviluppo di estremi di calore nelle regioni meridionali, al di sotto di circa 45°N, come l’Europa meridionale e il Mediterraneo. Al contrario, la configurazione a doppio getto, con il minimo di vento nella fascia latitudinale di 45-65°N, promuove la formazione di sistemi meteorologici di alta pressione persistenti, inclusi anticicloni di blocco, che ostacolano la propagazione di disturbi sinottici. Questo meccanismo aumenta la probabilità di ondate di calore prolungate, particolarmente intense nell’Europa occidentale e nella regione baltica. Lo stato di getto misto (Fig. 2c), caratterizzato da una struttura a doppio getto localizzata principalmente sull’Atlantico settentrionale e meno definita sull’intero settore eurasiatico (Fig. 2i), risulta meno rilevante per gli estremi di calore europei, con impatti limitati sulle temperature superficiali e sull’intensità delle ondate di calore (Fig. 2l, o). Pertanto, l’analisi successiva si concentrerà prevalentemente sugli stati a doppio getto, data la loro associazione con gli estremi di calore più significativi in Europa.L’analisi successiva si concentra sul ruolo delle anomalie del vento meridionale (v250) nel modulare gli estremi di calore in specifiche regioni durante gli eventi di doppio getto atmosferico caratterizzati dalla maggiore persistenza, definiti come quelli che superano il 90° percentile di durata. La composita del vento meridionale al livello di pressione di 250 hPa, calcolata per questi eventi di doppio getto altamente persistenti, rivela un pattern d’onda circumglobale amplificato (Fig. 3a). Tale configurazione risulta coerente con pattern precedentemente identificati come rilevanti per gli estremi di calore nell’Europa occidentale in studi precedenti⁷,³⁶,³⁷, suggerendo un ruolo chiave delle dinamiche ondulatorie nella genesi di condizioni meteorologiche estreme. Per approfondire questa relazione, il campo del vento meridionale associato a questi eventi persistenti è stato ulteriormente analizzato mediante un processo di clustering, che ha permesso di identificare due pattern d’onda preferenziali (Fig. 3b, c). Questi pattern indicano che i doppi getti sono associati a onde atmosferiche amplificate, le quali si manifestano in due configurazioni predominanti sull’Eurasia, caratterizzate da uno sfasamento di mezza lunghezza d’onda l’una rispetto all’altra.
Il primo pattern, denominato SOM1, è caratterizzato da venti settentrionali prevalenti sulla Scandinavia e la Russia occidentale, accompagnati da venti meridionali sui Monti Urali (Fig. 3b). Questa configurazione favorisce lo sviluppo di estremi di calore in Russia (Fig. 3f). L’analisi temporale di questo pattern, basata su un indice di similarità tra la sua composita e i campi giornalieri di vento v250 (si vedano i Metodi), evidenzia una tendenza all’aumento statisticamente significativa (Fig. 3d), suggerendo un incremento della frequenza o dell’intensità di questa configurazione nel periodo studiato. Il secondo pattern, SOM2, presenta uno spostamento verso ovest del pattern ondulatorio (Fig. 3c), promuovendo estremi di calore nell’Europa occidentale (Fig. 3g). L’indice di similarità per SOM2 mostra una tendenza decrescente lieve e non significativa quando analizzata con un adattamento lineare. Tuttavia, un’analisi non lineare applicata all’ultimo decennio (2010-2020) rivela una tendenza all’aumento (Fig. 3e), indicando una possibile intensificazione recente di questa configurazione. Entrambi i pattern ondulatori europei sono elementi di un più ampio pattern d’onda circumglobale, che genera anomalie di temperatura calda nella Siberia occidentale (per SOM2) e nella Siberia orientale (per SOM1). Le composite delle anomalie di temperatura media superficiale associate a questi due cluster (Fig. 3f, g) identificano quattro regioni hotspot: Russia e Siberia orientale per SOM1, ed Europa occidentale e Siberia occidentale per SOM2. Queste regioni corrispondono closely alle aree a maggior rischio di ondate di calore durante gli eventi di doppio getto, come evidenziato in precedenza (Fig. 2n).
Un caso emblematico di persistenza del doppio getto è rappresentato dall’estate del 2003, che ha registrato l’evento di doppio getto più prolungato dell’intero periodo di studio (si veda Tabella S1 nel Materiale Supplementare per un elenco dei 20 eventi di doppio getto più persistenti). Questa estate è stata caratterizzata da una delle ondate di calore più intense dell’era osservativa in Europa⁹, con un impatto devastante che ha causato circa 70.000 decessi legati al calore⁶. L’analisi di quattro estati estreme, selezionate per la loro persistenza del doppio getto eurasiatico e per l’occorrenza e l’intensità delle ondate di calore nell’Europa centrale e occidentale (1994, 2003, 2006⁹ e 2018), è illustrata nella Figura 4. La prima colonna di questa figura (pannelli a, d, g, j) presenta le anomalie medie del vento zonale a 250 hPa durante il periodo dell’evento di doppio getto più persistente per ciascuna estate. In tutti i casi, si osserva una significativa riduzione del vento zonale sull’Eurasia continentale, accompagnata dalla presenza di due fasce di venti più intensi alle latitudini meridionali e settentrionali, che definiscono la tipica configurazione a doppio getto.
Focalizzandosi sull’estate del 2003, che ha mostrato l’evento di doppio getto più persistente del periodo di studio (Tabella S1), si nota che questa configurazione si è stabilita all’inizio di luglio, come evidenziato dal vento zonale medio eurasiatico rappresentato in medie mobili di 5 giorni nel diagramma di Hovmöller (Fig. 4e). Successivamente, il 12 luglio, un’ondata di calore si è sviluppata sulla Francia centrale. L’estensione spaziale dell’intensità cumulativa di questa ondata di calore mostra un picco in quest’area, ma si estende anche a parti di Spagna, Italia, Regno Unito, gran parte della Germania e i Paesi Bassi (Fig. 4f). Il pattern spaziale dell’ondata di calore del 2003 presenta una notevole somiglianza con la composita dell’anomalia di calore cumulativa associata agli eventi di doppio getto, includendo una seconda anomalia calda nelle regioni baltiche (Fig. 2n). Pattern spaziali simili sono osservabili anche per le ondate di calore del 2006 e del 2018 (Fig. 4i, l), mentre nell’estate del 1994 il calore risulta spostato verso una posizione più orientale (Fig. 4c).
Nella climatologia del vento zonale al livello di 250 hPa (contorni tratteggiati in Fig. 4a, d, g, j), la regione dell’Europa occidentale e centrale coincide tipicamente con la zona di uscita del getto polare o Atlantico settentrionale. Durante gli eventi di doppio getto, questa regione è caratterizzata da anomalie negative della velocità del vento, mentre anomalie positive, corrispondenti ai due getti, si osservano a nord e a sud di tale area. Questa configurazione contribuisce a creare condizioni favorevoli alla stazionarietà dei sistemi di alta pressione, che a loro volta amplificano la probabilità di ondate di calore persistenti e intense, come osservato nei casi studio analizzati. L’approfondimento di queste dinamiche rappresenta un passo cruciale per comprendere i meccanismi che regolano gli estremi di calore in Europa in un contesto di cambiamento climatico.
Analisi dettagliata delle tendenze decennali delle ondate di calore nelle medie latitudini e in Europa: interpretazione della Figura 1
Introduzione
Le ondate di calore (heatwaves, HW) rappresentano una delle principali espressioni del cambiamento climatico, con impatti significativi su ecosistemi, salute umana e infrastrutture. La comprensione delle loro tendenze temporali e spaziali è fondamentale per sviluppare strategie di adattamento efficaci. La Figura 1, basata su dati climatici dal 1979 al 2020, fornisce un’analisi dettagliata delle tendenze decennali della frequenza e dell’intensità cumulativa delle ondate di calore durante i mesi estivi di alta stagione (luglio-agosto) nelle medie latitudini dell’emisfero settentrionale, con un focus specifico sull’Europa. Questo studio integra mappe globali con distribuzioni di probabilità e analisi statistiche per evidenziare le differenze regionali, in particolare la vulnerabilità accentuata dell’Europa rispetto ad altre aree delle medie latitudini.
Descrizione dei pannelli e metodologia
La Figura 1 è composta da quattro pannelli (a, b, c, d) che combinano rappresentazioni cartografiche e analisi statistiche. I pannelli (a) e (b) illustrano le tendenze decennali della frequenza delle ondate di calore (in giorni per decennio, days/decade) e dell’intensità cumulativa (in °C per decennio, °C/decade), rispettivamente, calcolate su una griglia terrestre globale tra 20°N e 70°N. Le ondate di calore sono definite come periodi di temperature massime superiori al 90° percentile della climatologia locale per almeno tre giorni consecutivi. L’Europa, delimitata dalla scatola tratteggiata (35°-70°N e 10°W-50°E), è analizzata separatamente per confrontarla con le restanti medie latitudini escluse questa regione. I dati sono derivati da rianalisi atmosferiche (es. ERA5) e coprono il periodo 1979-2020.
I pannelli (c) e (d) presentano le distribuzioni di densità di probabilità (probability density distributions) delle tendenze decennali della frequenza e dell’intensità cumulativa, rispettivamente, per tutti i punti griglia terrestri. La distribuzione per l’Europa è rappresentata in rosso scuro, mentre quella per le altre medie latitudini (20°-70°N escluse l’Europa) è in blu. Le medie delle tendenze sono indicate con linee verticali tratteggiate, mentre la linea continua verticale a 0 rappresenta l’assenza di tendenza. Le due distribuzioni sono state confrontate utilizzando un test statistico di Kolmogorov-Smirnov, con valori di significatività (p) riportati per valutare le differenze.
Risultati e interpretazione
I pannelli (a) e (b) rivelano un incremento generalizzato della frequenza e dell’intensità cumulativa delle ondate di calore nelle medie latitudini, con variazioni spaziali significative. In Europa, le tendenze sono particolarmente pronunciate, con aumenti della frequenza fino a +2 giorni/decade (pannello a) e dell’intensità cumulativa fino a +5 °C/decade (pannello b), concentrati soprattutto in Europa occidentale e centrale. Altre regioni con incrementi notevoli includono il Medio Oriente, parti della Cina e il Nord America occidentale. Tuttavia, alcune aree mostrano tendenze negative o nulle, come il Nord America centrale (noto come “warming hole”), la Siberia centrale e l’India settentrionale, dove fattori locali come irrigazione intensiva e aerosol possono attenuare il riscaldamento.
Le distribuzioni di probabilità nei pannelli (c) e (d) quantificano queste differenze. Per la frequenza delle ondate di calore (pannello c), la distribuzione per l’Europa ha una media di +0,61 giorni/decade, mentre quella per le altre medie latitudini è di +0,21 giorni/decade. Il test di Kolmogorov-Smirnov indica una significatività statistica (p < 0,01), confermando che l’aumento della frequenza in Europa è circa tre volte più rapido rispetto al resto delle medie latitudini. Analogamente, per l’intensità cumulativa (pannello d), la media per l’Europa è di +1,69 °C/decade, contro +0,44 °C/decade per le altre regioni, con una differenza significativa (p < 0,01), che corrisponde a un incremento circa quattro volte maggiore in Europa. Queste distribuzioni, spostate verso valori positivi per l’Europa, evidenziano una tendenza marcata e statisticamente robusta rispetto alla variabilità più contenuta delle altre medie latitudini.
Discussione
I risultati evidenziano che l’Europa è una regione particolarmente vulnerabile alle ondate di calore, con tendenze di frequenza e intensità cumulativa significativamente più elevate rispetto alle altre medie latitudini. L’aumento di +0,61 giorni/decade e +1,69 °C/decade riflette un’accelerazione degli estremi di calore, probabilmente amplificata da fattori dinamici atmosferici, come la persistenza degli stati di doppio jet stream sopra l’Eurasia, oltre al contributo del riscaldamento globale termodinamico. La distribuzione eterogenea delle tendenze globali suggerisce che processi locali (es. irrigazione, aerosol) possono mitigare gli effetti in alcune regioni, mentre in Europa l’assenza di tali meccanismi, combinata con dinamiche atmosferiche favorevoli, esacerba il fenomeno.
La significatività statistica delle differenze (p < 0,01) supporta l’ipotesi di un comportamento climatico distintivo in Europa, con implicazioni per la gestione del rischio. L’aumento più rapido delle ondate di calore in questa regione richiede un’attenzione particolare nella pianificazione climatica, includendo sistemi di allerta precoce e infrastrutture resilienti. Tuttavia, i modelli climatici potrebbero sottostimare queste tendenze se non rappresentano adeguatamente le dinamiche atmosferiche, come i pattern di blocco associati ai doppi jet.
Conclusioni
La Figura 1 dimostra che, tra il 1979 e il 2020, le ondate di calore in Europa sono aumentate in frequenza (+0,61 giorni/decade) e intensità cumulativa (+1,69 °C/decade) a un ritmo significativamente più alto rispetto alle altre medie latitudini (+0,21 giorni/decade e +0,44 °C/decade). Questi dati, supportati da analisi statistiche robuste, evidenziano la vulnerabilità unica dell’Europa e sottolineano l’urgenza di integrare le dinamiche atmosferiche nelle proiezioni climatiche per mitigare gli impatti futuri.
Prospettive future
Ricerche future dovrebbero approfondire i meccanismi dinamici alla base delle tendenze europee, con un focus sui doppi jet stream e sull’amplificazione artica. L’uso di modelli ad alta risoluzione e l’integrazione di dati in tempo reale potrebbero migliorare la previsione delle ondate di calore, mentre studi interdisciplinari potrebbero informare strategie di adattamento mirate.
La Figura 2 presenta un’analisi dettagliata degli stati del getto atmosferico e delle relative temperature superficiali, offrendo una rappresentazione sistematica delle configurazioni del vento zonale medio sull’Eurasia durante i mesi di alta estate boreale (luglio e agosto) nel periodo compreso tra il 1979 e il 2020. La figura è strutturata in tre colonne principali (a-c, g-i, j-l, m-o), ciascuna associata a tre cluster distinti di stati del getto identificati attraverso un’analisi statistica: getto singolo (37% di occorrenza), doppio getto (36%) e getto misto (27%). Questi cluster sono definiti sulla base della struttura verticale del vento zonale medio (u), con la frequenza di occorrenza riportata tra parentesi, fornendo una base quantitativa per l’interpretazione delle dinamiche atmosferiche.
Profili Verticali del Vento Zonale (Pannelli a-c)
I pannelli a-c illustrano i profili verticali del vento zonale medio, mediato sul dominio eurasiatico, evidenziando le differenze strutturali tra i tre stati del getto. Nel caso del getto singolo (panel a), si osserva un unico massimo di intensità del vento, con valori che spaziano da 5 a 20 m/s (rappresentati da contorni tratteggiati), localizzato tra i livelli di pressione di 250 e 150 hPa e centrato approssimativamente tra 45°N e 60°N. Questa configurazione riflette un getto atmosferico continuo e ben definito, tipico delle condizioni climatiche dominanti sull’Eurasia nord-centrale. Al contrario, il doppio getto (panel b) si distingue per la presenza di due massimi distinti: un getto subtropicale situato intorno a 40°N e un getto artico prossimo a 70°N, separati da un minimo intermedio nella fascia di media latitudine. Questa struttura a doppio getto indica una complessità dinamica nella troposfera, con implicazioni significative sulla circolazione atmosferica. Il getto misto (panel c), invece, combina elementi di entrambe le configurazioni precedenti, presentando un pattern meno definito e una transizione graduale tra getto singolo e doppio, con una distribuzione dell’intensità del vento meno concentrata.
Tendenze di Frequenza e Persistenza (Pannelli d-f)
I pannelli d-f quantificano la frequenza (linea grigia) e la persistenza massima (linea arancione) di ciascun cluster su base annua, accompagnati dalle relative tendenze lineari decennali e dai valori p associati. Per il getto singolo (panel d), si registra una frequenza media del 37%, con una tendenza decrescente di -0,7 giorni per decade (p=0,54), che non raggiunge la significatività statistica, suggerendo una stabilità relativa nel tempo. Il doppio getto (panel e), con una frequenza del 36%, mostra un incremento significativo sia nella frequenza (+2,9 giorni per decade, p=0,02) sia nella persistenza (+1,7 giorni per decade, p=0,02), indicando un’evoluzione dinamica verso una maggiore predominanza di questa configurazione. Il getto misto (panel f), con una frequenza del 27%, presenta una tendenza decrescente lieve e non significativa (-0,2 giorni per decade, p=0,44), riflettendo una minore variabilità temporale.
Anomalie del Vento Zonale a 250 hPa (Pannelli g-i)
Le anomalie del vento zonale a 250 hPa, riportate nei pannelli g-i, offrono una visione spaziale delle deviazioni rispetto alla climatologia per ciascun cluster. Per il getto singolo (panel g), si osserva un rafforzamento del vento zonale sopra l’Eurasia nord-centrale, con anomalie positive concentrate tra 45°N e 60°N, coerenti con uno spostamento verso nord del getto atmosferico. Nel caso del doppio getto (panel h), emergono due bande di anomalie positive: una subtropicale a circa 40°N e una artica a 70°N, con una regione di anomalie negative (venti deboli) tra 45°N e 65°N, che conferma la struttura a doppio getto. Il getto misto (panel i) mostra anomalie meno pronunciate, con un pattern localizzato principalmente sull’Atlantico settentrionale, indicando una configurazione intermedia e meno influente sull’intero dominio eurasiatico.
Anomalie di Temperatura Superficiale (Pannelli j-l)
Le anomalie di temperatura superficiale, detrendizzate linearmente e calcolate rispetto alla climatologia giornaliera, sono riportate nei pannelli j-l. Per il getto singolo (panel j), si registrano temperature superficiali più elevate nell’Europa meridionale e in Asia centrale, localizzate a sud del getto, suggerendo che lo spostamento verso nord del getto favorisca condizioni calde nelle regioni meridionali. Nel doppio getto (panel k), le temperature aumentano significativamente nella fascia tra 45°N e 65°N, con picchi evidenti in Europa occidentale e Russia, attribuibili alla zona di venti deboli che amplifica la persistenza di sistemi di alta pressione. Il getto misto (panel l) presenta anomalie termiche meno marcate, con un impatto limitato sulle temperature superficiali in Europa.
Intensità Cumulativa delle Ondate di Calore (Pannelli m-o)
I pannelli m-o mostrano l’intensità cumulativa delle ondate di calore, espressa come anomalia percentuale rispetto alla climatologia, dopo la rimozione della tendenza della temperatura massima media delle medie latitudini terrestri. Per il getto singolo (panel m), si osserva un incremento moderato dell’intensità delle ondate di calore nel Mediterraneo, coerente con le anomalie termiche a sud del getto. Nel doppio getto (panel n), l’intensità cumulativa aumenta significativamente nella fascia 45°N-65°N, con picchi pronunciati in Europa occidentale e Russia, riflettendo l’influenza della stazionarietà atmosferica. Il getto misto (panel o) mostra effetti minimi sull’intensità delle ondate di calore in Europa, confermando la sua rilevanza limitata.
Considerazioni Metodologiche
I dati sono stati elaborati mediante un processo di detrending lineare per eliminare le tendenze di lungo termine, con le anomalie calcolate rispetto alla climatologia giornaliera (1979-2020) al fine di rimuovere il ciclo stagionale. L’intensità cumulativa delle ondate di calore è derivata dalla somma del calore in eccesso rispetto al 90° percentile della temperatura massima, espressa come anomalia percentuale. Tutti i pannelli si riferiscono esclusivamente ai mesi di luglio e agosto del periodo considerato.
In sintesi, la Figura 2 fornisce un quadro esaustivo delle dinamiche del getto atmosferico e delle loro implicazioni sulle temperature superficiali e sulle ondate di calore, evidenziando un incremento significativo degli stati a doppio getto e la loro associazione con estremi di calore in Europa occidentale, mentre gli stati a getto singolo sono più correlati a condizioni calde nel Mediterraneo. Questa analisi offre una base solida per comprendere le interazioni tra circolazione atmosferica e variabilità climatica regionale.
La Figura 3 fornisce un’analisi dettagliata e strutturata degli stati di doppio getto atmosferico caratterizzati da elevata persistenza, con un focus specifico sul loro impatto sulle anomalie del vento meridionale a 250 hPa (v250) e sulle corrispondenti variazioni di temperatura superficiale. La figura è composta da sette pannelli (a-g), ciascuno dedicato a un aspetto specifico della dinamica atmosferica associata a eventi di doppio getto che superano il 90° percentile di persistenza, equivalenti a una durata superiore a 11 giorni consecutivi (si rimanda alla Tabella S1 nel Materiale Supplementare per un elenco dettagliato dei 20 eventi più persistenti e delle loro durate).
Pannello a: Composita Globale del Vento Meridionale a 250 hPa
Il pannello (a) espone la composita del vento meridionale a 250 hPa (v250) calcolata per gli eventi di doppio getto più persistenti, rappresentata attraverso ombreggiature che coprono un intervallo di variazioni da -12 a +14 m/s. Questa rappresentazione rivela un pattern ondulatorio circumglobale amplificato, caratterizzato da alternanze di venti meridionali (valori positivi) e settentrionali (valori negativi) che si estendono su scala emisferica. Le linee di contorno sovrapposte illustrano la climatologia del v250 per i mesi di luglio e agosto, derivata dal periodo 1979-2020, con incrementi di 2 m/s che vanno da -5 a 8 m/s. Tale climatologia funge da riferimento per contestualizzare le anomalie osservate, evidenziando le deviazioni significative indotte dagli stati di doppio getto persistente.
Pannelli b-c: Cluster SOM del Vento Meridionale
I pannelli (b) e (c) presentano i cluster derivati dall’applicazione delle Mappe Auto-Organizzanti (SOM) al campo del vento v250 durante gli eventi di doppio getto persistenti. Il cluster SOM1 (b), che rappresenta il 57,8% degli eventi, mostra un pattern dinamico con venti settentrionali dominanti sulla Scandinavia e la Russia occidentale e venti meridionali concentrati nella regione dei Monti Urali, con intensità che variano da -14 a +14 m/s. Questo suggerisce una configurazione ondulatoria che influenza principalmente le latitudini settentrionali e centrali dell’Eurasia. Il cluster SOM2 (c), che copre il 42,2% degli eventi, esibisce uno spostamento verso ovest di questo pattern, con venti meridionali prevalenti sull’Europa occidentale e venti settentrionali a est, indicando una variazione spaziale che modula l’impatto termico su diverse regioni.
Pannelli d-e: Evoluzione Temporale dell’Indice di Similarità
I pannelli (d) e (e) riportano le serie temporali dell’indice di similarità giornaliero per i cluster SOM1 e SOM2, rispettivamente, offrendo un’analisi della variabilità temporale di questi pattern. Per SOM1 (d), l’indice di similarità mostra una tendenza lineare positiva con una pendenza di +0,07 (p=0,06), suggerendo un incremento non del tutto statisticamente significativo nel tempo. La linea rossa tratteggiata rappresenta la regressione lineare, mentre la linea rossa continua, ottenuta tramite un adattamento LOESS liscio con uno span di 0,75, evidenzia una tendenza a lungo termine che riflette una possibile intensificazione graduale. Per SOM2 (e), la pendenza lineare è negativa (-0,05, p=0,14), indicando una tendenza decrescente non significativa, sebbene l’analisi non lineare suggerisca un potenziale aumento negli anni più recenti, come evidenziato dalla curva LOESS.
Pannelli f-g: Anomalie di Temperatura Superficiale
I pannelli (f) e (g) illustrano le anomalie di temperatura superficiale media, sottoposte a detrending lineare per rimuovere le tendenze di lungo termine, associate ai cluster SOM1 e SOM2. Per SOM1 (f), si osservano anomalie positive che raggiungono valori fino a +5°C, concentrate principalmente in Russia e nella Siberia orientale, riflettendo l’influenza dei venti settentrionali e meridionali sulla distribuzione del calore in queste regioni. Per SOM2 (g), le anomalie positive, anch’esse fino a +5°C, sono localizzate nell’Europa occidentale e nella Siberia occidentale, coerenti con lo spostamento verso ovest del pattern ondulatorio, con impatti termici significativi su queste aree geografiche. Queste anomalie termiche sono calcolate rispetto alla climatologia giornaliera, garantendo una rappresentazione accurata delle deviazioni indotte dagli stati di doppio getto.
Aspetti Metodologici
La figura si basa su dati elaborati mediante un processo di detrending lineare per eliminare le tendenze secolari, con anomalie determinate rispetto alla climatologia giornaliera del periodo 1979-2020. Le composite del v250 sono costruite a partire da eventi di doppio getto persistente, mentre la climatologia di riferimento per luglio-agosto fornisce il contesto di base. Le linee di contorno del v250 sono tracciate con incrementi di 2 m/s nell’intervallo da -5 a 8 m/s, e le anomalie di temperatura sono espresse in gradi Celsius, offrendo una quantificazione precisa delle variazioni termiche. La regressione lineare e la curva LOESS sono utilizzate per analizzare le tendenze temporali, con un span di 0,75 che assicura una suavizzazione adeguata dei dati.
In sintesi, la Figura 3 delinea un quadro esaustivo delle dinamiche associate agli stati persistenti di doppio getto, evidenziando la presenza di un pattern ondulatorio circumglobale che modula le temperature superficiali in modo differenziato. Il cluster SOM1 predomina nelle regioni orientali come Russia e Siberia orientale, mentre SOM2 influenza maggiormente l’Europa occidentale, fornendo una base solida per comprendere le interazioni tra circolazione atmosferica e variabilità climatica regionale in presenza di configurazioni a doppio getto.
Contributo dei Doppi Getti alla Variabilità e alla Tendenza delle Ondate di Calore in Europa
I doppi getti atmosferici rivestono un ruolo cruciale nella modulazione della variabilità delle ondate di calore, contribuendo in misura significativa fino al 35% delle fluttuazioni osservate in alcune regioni dell’Europa occidentale. Inoltre, la loro tendenza all’aumento nel tempo ha rappresentato un fattore determinante nell’amplificazione della tendenza delle ondate di calore registrata in tutta l’Europa. Per quantificare tale contributo, è stata impiegata un’analisi di regressione lineare (si rimanda ai Metodi per i dettagli tecnici), che ha permesso di evidenziare come la persistenza dei doppi getti spieghi una porzione considerevole della variabilità dell’intensità cumulativa delle ondate di calore su scala europea (Fig. 5). Per mitigare eventuali distorsioni indotte dal ciclo stagionale e dalle tendenze a lungo termine, entrambe le variabili coinvolte—la persistenza dei doppi getti (variabile indipendente) e l’intensità cumulativa delle ondate di calore (variabile dipendente)—sono state sottoposte a un processo di detrending prima dell’applicazione del modello di regressione. Come illustrato in Fig. 5a, la persistenza dei doppi getti accounta per una variabilità fino al 35% dell’intensità cumulativa delle ondate di calore in ampie zone dell’Europa occidentale, una regione che si estende dalla penisola iberica fino ai paesi baltici. Risultati analoghi, sebbene con coefficienti leggermente inferiori, emergono quando si considera la frequenza dei doppi getti in sostituzione della persistenza (si veda Fig. S6) o quando l’analisi di regressione è applicata alla frequenza delle ondate di calore anziché alla loro intensità cumulativa (si vedano Fig. S7 e S8).
Per approfondire la relazione tra la persistenza dei doppi getti e l’accumulo di calore in Europa, sono state costruite rappresentazioni grafiche che correlano la persistenza dei doppi getti con l’intensità cumulativa del calore, mediata spazialmente, sia sull’intero dominio europeo (Fig. 5b) sia specificamente sull’Europa occidentale (Fig. 5c). In entrambi i casi, si osservano relazioni lineari positive, con una marcata intensificazione e una significatività statistica più pronunciata quando l’attenzione è focalizzata sull’Europa occidentale, come già suggerito dai dati di Fig. 5a. La varianza spiegata mediamente si attesta al 5% per l’intera regione europea, mentre raggiunge il 24% nell’area dell’Europa occidentale (Fig. 5c). Questi risultati si integrano armoniosamente con le evidenze derivanti dalle composite degli estremi di calore (Fig. 2n), rafforzando l’ipotesi che i doppi getti persistenti rappresentino un elemento chiave nella genesi delle ondate di calore, con un impatto particolarmente rilevante nelle regioni occidentali del continente.
L’aumento della persistenza dei doppi getti atmosferici è in grado di spiegare fino a circa un terzo della tendenza accelerata delle ondate di calore a livello europeo e quasi l’intera tendenza accelerata osservata specificamente nell’Europa occidentale (Fig. 6). La tendenza dell’intensità cumulativa delle ondate di calore per ciascun punto griglia è stata stimata attraverso un modello di regressione lineare basato esclusivamente sulla persistenza dei doppi getti (si vedano i Metodi per ulteriori dettagli). Si è assunto che il contributo termodinamico diretto alla tendenza delle ondate di calore sia comparabile a quello riscontrato nelle medie latitudini, rappresentando una stima di primo ordine del contributo termodinamico pari a 0,62 °C per decade. Per l’Europa, è stata quindi definita una “tendenza residua” come la differenza tra la tendenza totale e questo contributo termodinamico, che risulta mediamente di circa 1,05 °C per decade sull’intera regione europea e di circa 0,54 °C per decade nell’Europa occidentale (Fig. 6a). Tale tendenza residua riflette l’incremento della tendenza europea rispetto alle medie latitudini e viene attribuita a processi più complessi, come feedback climatici o cambiamenti dinamici. Il modello lineare proposto cattura efficacemente i pattern di tendenza decennali su vaste porzioni del territorio europeo, sebbene con magnitudini relativamente inferiori (Fig. 6b, si noti la differenza di scala rispetto a Fig. 6a), un aspetto prevedibile considerando il ruolo di altri fattori, quali i feedback tra umidità del suolo e temperatura¹⁵, nel modellare o amplificare le tendenze delle ondate di calore. Ciononostante, l’aumento della persistenza degli stati a doppio getto riesce a spiegare una quota significativa della tendenza residua, con un impatto particolarmente evidente nell’Europa occidentale e nella Russia europea. Applicando questo approccio, si stima che, in media sull’Europa, circa il 30% della tendenza totale osservata nell’intensità cumulativa delle ondate di calore possa essere attribuito all’incremento della persistenza dei doppi getti, sotto le assunzioni delineate. Ancora più rilevante è il dato relativo all’Europa occidentale, dove il contributo raggiunge circa il 100%, spiegando così l’intera tendenza residua. Questa evidenza rafforza l’ipotesi che, per l’Europa occidentale, i cambiamenti dinamici verso una maggiore persistenza dei doppi getti rappresentino un elemento centrale nella comprensione dell’accelerazione della tendenza delle ondate di calore, evidenziando la necessità di ulteriori studi per quantificare l’interazione tra dinamiche atmosferiche e processi termodinamici in un contesto di cambiamento climatico.
La Figura 4 offre un’analisi approfondita e multidimensionale delle configurazioni a doppio getto atmosferico e della loro correlazione con l’intensità cumulativa delle ondate di calore durante quattro estati climaticamente significative: 1994, 2003, 2006 e 2018. La figura è strutturata in dodici pannelli (a-l), che integrano rappresentazioni spaziali e temporali delle anomalie del vento zonale a 250 hPa (u250) con distribuzioni geografiche delle anomalie di intensità cumulativa delle ondate di calore, con un’enfasi particolare sugli eventi di doppio getto più prolungati identificati per ciascun anno considerato.
Pannelli a, d, g, j: Anomalie del Vento Zonale a 250 hPa
I pannelli (a), (d), (g) e (j) illustrano le anomalie del vento zonale a 250 hPa (u250) rispetto alla climatologia di riferimento, rappresentate mediante ombreggiature che evidenziano variazioni nell’intervallo da -15 a +15 m/s. Le linee tratteggiate sovrapposte indicano la velocità totale del vento climatologica, tracciata a intervalli di 5 m/s, fornendo un contesto di base per le deviazioni osservate.
- (a) 23.07-19.08.1994: Si evidenzia una configurazione a doppio getto caratterizzata da anomalie positive alle latitudini meridionali e settentrionali, con una regione intermedia di vento debole compresa approssimativamente tra 45°N e 65°N, tipica della dinamica a doppio getto.
- (d) 21.07-18.08.2003: La struttura a doppio getto è particolarmente pronunciata, con intensi gradienti di vento che coincidono con uno degli episodi di ondata di calore più devastanti registrati in Europa, riflettendo una persistenza atmosferica significativa.
- (g) 11-30.07.2006: Si osserva un pattern a doppio getto ben definito, con anomalie positive che delineano due fasce di vento forte, indicative di una configurazione stabile e duratura.
- (j) 04-25.07.2018: Presenta una dinamica simile, con due zone di anomalie positive a latitudini diverse e un’area centrale di vento ridotto, coerente con la formazione di un doppio getto atmosferico.
Pannelli b, e, h, k: Diagrammi di Hovmöller
I pannelli (b), (e), (h) e (k) forniscono una prospettiva temporale attraverso diagrammi di Hovmöller, che rappresentano le anomalie del vento zonale medio sull’Eurasia (regione corrispondente ai pannelli a, d, g, j) per i mesi di luglio e agosto di ciascun anno. Questi diagrammi sono basati su medie mobili di 5 giorni centrate su ogni giorno dal 1° luglio al 31 agosto. Una linea verticale tratteggiata segna il primo giorno di agosto, mentre le linee orizzontali rosse indicano i periodi identificati dalle Mappe Auto-Organizzanti (SOM) come eventi di doppio getto.
- (b) Luglio-Agosto 1994: Le anomalie del vento zonale medio evidenziano la formazione e la persistenza del doppio getto, con intervalli significativi dal 1° al 12 luglio e dal 23 luglio al 19 agosto.
- (e) Luglio-Agosto 2003: Mostra un doppio getto particolarmente persistente dal 21 luglio al 18 agosto, con ulteriori episodi tra l’11 e il 19 luglio e dal 24 al 31 agosto, coerenti con le condizioni meteorologiche estreme di quell’anno.
- (h) Luglio-Agosto 2006: Indica la presenza di un doppio getto dal 11 al 30 luglio e dal 12 al 16 agosto, con un episodio aggiuntivo il 31 agosto, suggerendo una stagionalità marcata.
- (k) Luglio-Agosto 2018: Evidenzia un doppio getto dal 4 al 25 luglio, con contributi aggiuntivi dal 19 al 20 agosto e dal 25 al 31 agosto, riflettendo una dinamica atmosferica complessa.
Pannelli c, f, i, l: Distribuzione Spaziale dell’Intensità Cumulativa delle Ondate di Calore
I pannelli (c), (f), (i) e (l) illustrano la distribuzione geografica dell’intensità cumulativa delle ondate di calore per i mesi di luglio e agosto di ciascun anno, espressa come anomalia percentuale rispetto al 90° percentile della temperatura massima.
- (c) Luglio-Agosto 1994: Le anomalie termiche sono moderate, con picchi localizzati principalmente nell’Europa orientale, indicando un impatto regionale limitato.
- (f) Luglio-Agosto 2003: Si osserva un’intensa anomalia centrale sulla Francia, che si estende a Spagna, Italia, Germania, Regno Unito e paesi baltici, riflettendo l’ondata di calore eccezionale e devastante di quell’anno.
- (i) Luglio-Agosto 2006: Presenta anomalie significative nell’Europa occidentale e centrale, con un pattern spaziale simile ma meno esteso rispetto al 2003, suggerendo una variabilità regionale.
- (l) Luglio-Agosto 2018: Mostra anomalie diffuse in Europa occidentale, con picchi pronunciati in Germania e Francia, coerenti con un evento di calore esteso e intenso.
Aspetti Metodologici
Le anomalie del vento u250 sono derivate dalla differenza rispetto alla climatologia e visualizzate con ombreggiature, mentre le linee tratteggiate rappresentano la velocità totale del vento climatologica a intervalli di 5 m/s. I diagrammi di Hovmöller si basano su medie mobili di 5 giorni per catturare la persistenza del doppio getto, con le date specifiche determinate dalle SOM. L’intensità cumulativa delle ondate di calore è calcolata come l’eccesso di temperatura rispetto al 90° percentile, espressa in termini percentuali. Tutti i dati si riferiscono ai mesi di luglio e agosto per gli anni selezionati (1994, 2003, 2006 e 2018).
In sintesi, la Figura 4 delinea un quadro completo delle dinamiche associate agli stati persistenti di doppio getto, correlati a significativi episodi di ondate di calore, con un impatto particolarmente evidente nell’Europa occidentale, soprattutto nel 2003. L’integrazione di rappresentazioni spaziali e temporali offre una comprensione approfondita delle interazioni tra circolazione atmosferica e fenomeni estremi, costituendo una base solida per ulteriori indagini sulle tendenze climatiche regionali.
Discussione
Un potenziale meccanismo alla base della crescente persistenza degli eventi di doppio getto atmosferico potrebbe risiedere nell’aumento del contrasto termico lungo la costa artica, attribuibile al riscaldamento accelerato delle terre ad alta latitudine rispetto alla sostanziale assenza di incremento termico sull’oceano Artico. Durante l’estate, l’oceano Artico manifesta un riscaldamento trascurabile o nullo, poiché l’energia aggiuntiva generata dal forzante antropogenico dei gas serra viene prevalentemente assorbita dal processo di fusione del ghiaccio marino, mentre le superfici oceaniche esibiscono una tendenza al riscaldamento marcatamente più lenta. Al contrario, le regioni terrestri circostanti l’oceano Artico, come la Siberia, l’Alaska e il Canada, hanno sperimentato un incremento termico estivo estremamente rapido, un fenomeno verosimilmente connesso alla drastica riduzione della copertura nevosa nella prima parte dell’estate³⁸. Questa asimmetria termica suggerisce che, sebbene il gradiente di temperatura complessivo tra equatore e polo stia diminuendo a causa dell’amplificazione artica³⁹, il gradiente termico a nord del circolo polare artico si stia intensificando, con un conseguente rafforzamento del getto del fronte artico, localizzato approssimativamente tra 70°N e 80°N²⁵. Mann et al.²⁶ hanno evidenziato che il profilo storico di riscaldamento superficiale zonale medio, caratterizzato da un’accelerazione del riscaldamento nelle aree terrestri ad alta latitudine durante la stagione estiva, è con alta probabilità (secondo la terminologia dell’IPCC) attribuibile al cambiamento climatico di origine antropogenica. Proponiamo che tale pattern di riscaldamento zonale medio promuova la stabilizzazione e la persistenza di regimi di flusso a doppio getto. Sebbene i doppi getti possano inizialmente originarsi da dinamiche caotiche nelle medie latitudini o da forzature indotte da onde di Rossby di origine tropicale⁴⁰⁻⁴¹, la loro durata prolungata appare favorita in un contesto climatico caratterizzato da aree terrestri artiche significativamente più calde.
I nostri risultati si inseriscono nel solco di precedenti ricerche sull’amplificazione quasi-risonante⁴², un fenomeno che genera onde circumglobali ad alta ampiezza, frequentemente associate a regimi di flusso a doppio getto. La configurazione a doppio getto può fungere da guida latitudinale grazie a un getto subtropicale confinato⁴³, il quale intrappola e amplifica le onde di Rossby, contribuendo alla loro propagazione e intensificazione. Tali stati dinamici sono stati documentati in mesi estivi caratterizzati da condizioni estreme⁴⁴. La nostra analisi rivela che i doppi getti sono accompagnati da un getto subtropicale robusto e ristretto, che favorisce la guidabilità delle onde, e da pattern ondulatori circumglobali amplificati nel campo del vento meridionale. Questi pattern presentano una stretta somiglianza con la posizione preferenziale del pattern ondulatorio circumglobale, identificata in studi precedenti⁷⁻³⁶⁻³⁷ come un fattore critico per gli estremi di calore nell’Europa occidentale. Analogamente, un confinamento analogo può verificarsi per il getto polare durante l’estate boreale⁴⁵.
In un’ottica alternativa, la guidabilità osservata nei venti zonali medi potrebbe rappresentare una conseguenza, piuttosto che una precondizione, dell’aumento delle ampiezze d’onda⁴⁶, suggerendo una relazione bidirezionale tra le dinamiche ondulatorie e la struttura del getto atmosferico.
Il presente studio arricchisce il corpus di evidenze che collegano i doppi getti ai fenomeni di blocco atmosferico, sebbene le relazioni causali rimangano complesse da interpretare con precisione. Da un lato, si può ipotizzare che una configurazione a doppio getto favorisca la genesi di un anticiclone di blocco nella regione di venti deboli interposta tra i due massimi del vento zonale. Tachibana et al.²³ hanno dimostrato che una Modalità Annuale dell’Emisfero Settentrionale (NAM) anomalamente positiva, associata a un doppio getto, descrive efficacemente le condizioni meteorologiche su scala emisferica legate a blocchi atmosferici anomali nelle aree tra i due getti. In tale contesto, il doppio getto appare come un precursore del blocco atmosferico, in linea con le osservazioni di Maeda et al.⁴⁷. Inoltre, un doppio getto potrebbe sostenere la persistenza di un anticiclone di blocco ad alta latitudine attraverso l’advezione di aria caratterizzata da bassa vorticità potenziale⁴⁸. D’altro canto, non si può escludere una catena causale inversa: un anticiclone di blocco sull’Europa occidentale, ad esempio, potrebbe indurre la divisione del getto atmosferico in due flussi distinti, dando origine a uno stato a doppio getto⁴⁹. Di conseguenza, i doppi getti potrebbero rappresentare sia una causa che un effetto dei blocchi atmosferici. Una comprensione più approfondita delle catene causali richiede ulteriori indagini, incluse analisi sull’attività locale delle onde di Rossby, come i pacchetti di onde transitorie e gli estremi di temperatura⁵⁰. La nostra interpretazione preliminare suggerisce che i doppi getti e i blocchi siano due manifestazioni di uno stesso pattern dinamico di flusso, potenzialmente innescato da diversi processi, tra cui dinamiche atmosferiche interne (ad esempio effetti di risonanza), interazioni tra oceano e atmosfera⁵¹ o forzature da onde di Rossby tropicali⁴¹. I cambiamenti estivi nell’Artico, come descritto in precedenza, stanno rendendo tali stati dinamici più stabili, favorendo la persistenza degli eventi di doppio getto. Questo meccanismo merita di essere validato attraverso esperimenti con modelli climatici che simulino diverse condizioni artiche e tramite le proiezioni disponibili del CMIP6, tema centrale dei nostri futuri studi. È altresì essenziale integrare altri meccanismi emersi in recenti ricerche, come il ruolo della convezione tropicale soppressa nel Pacifico nell’aumentare la tortuosità del getto atmosferico⁴¹ o l’influenza del forzante differenziale degli aerosol nel ridurne l’intensità sul dominio eurasiatico⁵², conciliandoli con il contributo dell’Artico in un quadro analitico più completo.
I doppi getti atmosferici emergono come un fattore determinante nella variabilità e nelle tendenze delle ondate di calore, con un’influenza particolarmente marcata nelle regioni dell’Europa occidentale, come evidenziato dalle analisi presentate nelle Figure 4 e 5. In quest’area, il getto atmosferico assume un ruolo attivo nella regolazione delle condizioni superficiali, poiché la sua posizione coincide con la zona di uscita del percorso delle tempeste del Nord Atlantico⁵³, un’area nota per la sua dinamicità meteorologica. Al di fuori di questa regione, in aree come il Mediterraneo e l’Europa orientale, i feedback locali tra terra e atmosfera potrebbero prevalere sulle dinamiche del getto atmosferico, grazie al loro stretto accoppiamento e all’effetto del precondizionamento del suolo⁵⁴, che amplifica le condizioni di stress termico in presenza di suoli aridi. I feedback terra-atmosfera, specialmente quelli associati a suoli disseccati, sono riconosciuti come driver cruciali delle ondate di calore¹⁴. In tale contesto, gli studi di Stegehuis et al.⁵⁵, basati su simulazioni di modelli climatici regionali per il periodo storico, hanno dimostrato che l’umidità del suolo a inizio estate spiega oltre il 50% della tendenza al riscaldamento osservata in Francia e nella Germania sud-occidentale, mentre i fattori su larga scala dominano il clima estivo nelle altre parti del continente europeo. I nostri risultati si allineano generalmente a queste conclusioni, sebbene suggeriscano un contributo più rilevante delle dinamiche su larga scala, in particolare nella Francia occidentale, per le ondate di calore di lunga durata. Tale discrepanza può essere attribuita alla nostra focalizzazione su eventi termici prolungati, in contrasto con l’analisi delle temperature medie estive condotta da Stegehuis et al.⁵⁵.
Inoltre, una serie di ricerche³⁰⁻³¹ ha esplorato il possibile ruolo di un rallentamento della Circolazione Meridionale Atlantica (AMOC) e della connessa “anomalia fredda” nel Nord Atlantico⁵⁶ nel determinare le condizioni climatiche estive dell’Europa occidentale, mediato da una risposta atmosferica indotta da processi oceanici. Sebbene i meccanismi precisi, incluse le interazioni tra atmosfera e oceano, non siano ancora pienamente compresi né adeguatamente riprodotti dai modelli climatici⁵⁷, la risposta atmosferica a un rallentamento dell’AMOC durante l’estate è caratterizzata da una maggiore incidenza di sistemi di alta pressione sull’Europa occidentale³⁰⁻³¹. Di conseguenza, i rischi futuri di ondate di calore in Europa sembrano essere modulati da una combinazione di forzature al confine, tra cui il riscaldamento delle regioni ad alta latitudine, l’emergere di un’anomalia fredda atlantica e il progressivo depauperamento delle riserve di umidità del suolo.
Per quanto ci è dato sapere, il presente studio rappresenta la prima occasione in cui l’accelerazione degli estremi di calore persistenti durante l’estate in Europa viene quantificata e associata a specifici mutamenti dinamici nel comportamento del getto atmosferico. Studi futuri dovrebbero valutare con precisione la capacità dei modelli climatici di riprodurre i nessi tra gli estremi di calore e i doppi getti, oltre a esplorare se tali componenti subiscano variazioni sotto differenti scenari di forzatura climatica. Una simile indagine permetterebbe altresì di discernere se l’aumento osservato dei doppi getti sia espressione della variabilità naturale interna del sistema climatico o una diretta conseguenza del cambiamento climatico antropogenico⁵⁸. I risultati ottenuti e le analisi ulteriori potrebbero contribuire a perfezionare i modelli climatici, che attualmente tendono a sottostimare la tendenza al riscaldamento registrata nell’Europa occidentale⁵⁵⁻⁵⁹. Una rappresentazione inaccurata della variabilità del getto atmosferico nei modelli potrebbe infatti tradursi in una significativa sottovalutazione delle tendenze future delle ondate di calore in questa regione. Inoltre, determinate configurazioni del getto atmosferico sono state associate a eventi estremi simultanei in diverse aree delle medie latitudini, con potenziali ripercussioni su più regioni di produzione agricola, ponendo rischi concreti per la sicurezza alimentare globale e la stabilità sociale³⁷. Pertanto, una comprensione più profonda delle forze che ne guidano l’evoluzione e delle loro implicazioni risulta indispensabile per elaborare valutazioni del rischio più affidabili in un contesto di cambiamento climatico non mitigato.
La Figura 5 offre un’analisi dettagliata e quantitativa della varianza spiegata dell’intensità cumulativa delle ondate di calore in relazione alla persistenza dei doppi getti atmosferici, utilizzando un approccio basato sulla regressione lineare per quantificare l’influenza di questa dinamica atmosferica su scala regionale. La figura è strutturata in tre pannelli (a, b, c), che integrano una mappatura spaziale con rappresentazioni grafiche, fornendo una visione esaustiva del ruolo dei doppi getti nella modulazione delle condizioni termiche in Europa, con un’attenzione specifica all’Europa occidentale.
Pannello a: Distribuzione Spaziale della Varianza Spiegata
Il pannello (a) presenta una mappa che illustra la varianza spiegata (R²) dell’intensità cumulativa delle ondate di calore per ciascun punto griglia, derivata da un modello di regressione lineare in cui la variabile indipendente è la persistenza dei doppi getti. I valori di R², che si estendono da 0 a 0,35, sono codificati mediante una scala cromatica che va dal giallo chiaro (bassa varianza spiegata) al rosso intenso (alta varianza spiegata), permettendo una visualizzazione immediata delle aree di maggiore influenza. I punti griglia contrassegnati da punti neri indicano coefficienti statisticamente significativi (p < 0,05), concentrati prevalentemente nell’Europa occidentale, una regione che si estende dalla penisola iberica ai paesi baltici. Questa distribuzione spaziale suggerisce che la persistenza dei doppi getti rappresenta un fattore chiave nel determinare la variabilità delle ondate di calore in quest’area, con un contributo che può arrivare fino al 35% in alcune località, evidenziando un ruolo predominante delle dinamiche atmosferiche su larga scala.
Pannello b: Analisi Grafica per l’Intero Dominio Europeo
Il pannello (b) propone un diagramma a dispersione che mette in relazione le anomalie dell’intensità cumulativa delle ondate di calore, aggregate su tutti i punti griglia terrestri del dominio europeo esteso (come delineato nel pannello a e nella casella tratteggiata rossa della Figura 1a, b), con la persistenza dei doppi getti, espressa in giorni. La linea rossa continua rappresenta il fit lineare ottenuto tramite regressione, mentre le linee tratteggiate rosse delimitano l’intervallo di confidenza corrispondente ai percentili 5° e 95°, stimati attraverso 1000 iterazioni di bootstrap. Il coefficiente di determinazione (R²) è riportato come 0,05, con un intervallo di confidenza che varia tra 0,02 e 0,34, e un valore p di 0,14, indicando che la relazione non raggiunge la significatività statistica al livello del 5%. Questa analisi suggerisce l’esistenza di una tendenza positiva tra la persistenza dei doppi getti e l’intensità cumulativa delle ondate di calore, sebbene il contributo esplicativo sia relativamente modesto sull’intera regione europea, limitandosi a circa il 5% della variabilità totale.
Pannello c: Analisi Grafica per l’Europa Occidentale
Il pannello (c) si concentra sull’Europa occidentale, definita dalla casella tratteggiata rossa (37-55°N e 9°W-14°E), e presenta un diagramma a dispersione che correla le anomalie dell’intensità cumulativa delle ondate di calore, aggregate esclusivamente sui punti griglia con coefficienti statisticamente significativi (come identificati nel pannello a), con la persistenza dei doppi getti. Anche in questo caso, la linea rossa continua indica il fit lineare, con le linee tratteggiate rosse che rappresentano l’intervallo di confidenza ai percentili 5° e 95°, derivato da 1000 bootstrap. Il coefficiente di determinazione (R²) assume un valore di 0,24, con un intervallo di confidenza che si estende da 0,13 a 0,51, e un valore p < 0,001, confermando una relazione statisticamente significativa. Questo risultato evidenzia un’associazione più robusta nell’Europa occidentale, dove la persistenza dei doppi getti spiega circa un quarto della variabilità dell’intensità cumulativa delle ondate di calore, sottolineando l’importanza di questa dinamica atmosferica in tale contesto regionale.
Aspetti Metodologici
Prima di applicare la regressione lineare, entrambe le serie temporali—quella della persistenza dei doppi getti e quella dell’intensità cumulativa delle ondate di calore—sono state sottoposte a un processo di detrending per eliminare la tendenza lineare, minimizzando così l’influenza di variazioni a lungo termine che potrebbero introdurre distorsioni. Le anomalie dell’intensità cumulativa sono calcolate come deviazioni dalla climatologia di riferimento, e la significatività statistica è stabilita con un livello di confidenza del 95% (p < 0,05). Gli intervalli di confidenza e i valori di R² sono stati stimati mediante un approccio di bootstrap con 1000 repliche, garantendo una solida base statistica per le inferenze. La regione di interesse è definita dal dominio europeo esteso, con un focus specifico sull’Europa occidentale delimitata dalla casella tratteggiata rossa.
In sintesi, la Figura 5 fornisce un’evidenza chiara del ruolo della persistenza dei doppi getti nel guidare la variabilità delle ondate di calore, con un impatto particolarmente significativo nell’Europa occidentale, dove può spiegare fino al 24-35% della varianza, rispetto a una contribuzione più contenuta (5%) sull’intero continente. Questi risultati rafforzano l’ipotesi che le dinamiche atmosferiche su larga scala, mediate dai doppi getti, siano un elemento cruciale nella comprensione degli estremi climatici regionali, offrendo una base per ulteriori indagini modellistiche e predittive.
La Figura 6 fornisce un’analisi comparativa dettagliata tra le tendenze residue osservate e quelle stimate dell’intensità cumulativa delle ondate di calore sull’Europa, con un’enfasi specifica sull’impatto dell’aumento della persistenza dei doppi getti atmosferici come driver dinamico. La figura è articolata in due pannelli (a e b), che presentano mappe spaziali delle tendenze residue espresse in °C per decade, offrendo una rappresentazione visiva della variabilità regionale e del contributo delle dinamiche atmosferiche su larga scala alla fenomenologia delle ondate di calore.
Pannello a: Tendenza Residua Osservata
Il pannello (a) illustra la tendenza residua osservata dell’intensità cumulativa delle ondate di calore sull’intero dominio europeo, calcolata come la differenza tra la tendenza totale misurata e la tendenza media delle medie latitudini terrestri (°C/decade). La scala cromatica, che si estende da -5 a +5 °C/decade, utilizza tonalità dal blu scuro (valori negativi) al rosso intenso (valori positivi) per evidenziare le variazioni spaziali. Le regioni con tendenze residue positive, rappresentate da sfumature rosse e arancioni, sono predominantemente localizzate nell’Europa centrale e occidentale, con valori che oscillano tra 1 e 3 °C/decade, indicando un’accelerazione significativa delle condizioni di calore estremo. La media della tendenza residua per l’intera Europa (Eur) è riportata come 1,055 °C/decade, mentre per l’Europa occidentale (WEur), definita dalla casella tratteggiata rossa che delimita l’area tra 37°N e 55°N e tra 9°W e 14°E, è di 0,536 °C/decade. Questa distribuzione spaziale riflette un’ampia variabilità regionale, con un’evidente intensificazione delle ondate di calore attribuibile a fattori dinamici oltre il semplice effetto termodinamico delle medie latitudini.
Pannello b: Tendenza Residua Stimata
Il pannello (b) espone la tendenza residua stimata dell’intensità cumulativa delle ondate di calore, derivata da un modello statistico che considera esclusivamente l’aumento della persistenza dei doppi getti come variabile predittiva (°C/decade). La scala cromatica, che varia da -2 a +2 °C/decade, utilizza una gradazione dal blu al rosso per indicare le intensità delle tendenze. Le aree con tendenze residue positive sono distribuite in modo più discontinuo rispetto al pannello (a), con concentrazioni notevoli in Europa centrale, Russia europea e alcune porzioni dell’Europa occidentale. I punti griglia contrassegnati da punti neri evidenziano le località in cui la tendenza residua stimata presenta lo stesso segno della tendenza residua osservata, suggerendo una corrispondenza parziale tra il modello e i dati empirici. La media della tendenza residua stimata è di 0,303 °C/decade per l’intera Europa e di 0,528 °C/decade per l’Europa occidentale. La minore magnitudine rispetto ai valori osservati nel pannello (a) indica che, sebbene la persistenza dei doppi getti contribuisca in modo significativo, altri fattori ambientali e climatici, come i feedback terra-atmosfera, giocano un ruolo complementare nella determinazione delle tendenze complessive.
Aspetti Metodologici
La tendenza residua è definita come la deviazione della tendenza totale dell’intensità cumulativa delle ondate di calore rispetto alla tendenza media delle medie latitudini terrestri, rappresentando così la componente eccedente attribuibile a processi dinamici o interazioni locali. Nel pannello (b), la tendenza stimata è ottenuta attraverso un modello di regressione lineare che utilizza la persistenza dei doppi getti come unica variabile indipendente, con una validazione basata sul confronto del segno della tendenza stimata con quella osservata. Le medie delle tendenze residue per l’Europa e l’Europa occidentale sono riportate nell’angolo superiore sinistro di ciascun pannello, fornendo un’indicazione sintetica dell’impatto regionale. La casella tratteggiata rossa delimita l’Europa occidentale, consentendo un’analisi focalizzata su questa sotto-regione critica.
In sintesi, la Figura 6 evidenzia il contributo sostanziale dell’aumento della persistenza dei doppi getti alle tendenze residue delle ondate di calore, con un effetto particolarmente pronunciato nell’Europa occidentale, dove la stima (0,528 °C/decade) si allinea strettamente alla tendenza osservata (0,536 °C/decade). Tuttavia, la discrepanza tra la tendenza osservata media per l’Europa (1,055 °C/decade) e quella stimata (0,303 °C/decade) suggerisce che meccanismi aggiuntivi, quali i feedback tra suolo e atmosfera o altre forzature climatiche, contribuiscano in modo significativo alla variabilità complessiva, sottolineando la necessità di un approccio integrato per una comprensione completa delle dinamiche climatiche regionali.
Metodi
Dati. Per l’analisi degli stati del getto atmosferico sull’Eurasia, sono stati impiegati i dati di rianalisi ERA5⁶⁰, che forniscono informazioni sul vento zonale medio (u) nell’intervallo latitudinale compreso tra 25°N e 80°N, con un’enfasi specifica sul settore eurasiatico delimitato longitudinalmente tra 25°W e 180°E. L’indagine si è concentrata sui livelli di pressione che spaziano da 800 hPa a 100 hPa, limitandosi ai mesi estivi di luglio e agosto. La scelta della dimensione del dominio e dei livelli di pressione è stata sottoposta a un’ampia serie di test di sensibilità, e i risultati hanno dimostrato una robustezza tale da rendere le conclusioni indipendenti da variazioni, come l’estensione del dominio fino a 0-90°N o l’inclusione di livelli di pressione tra 1000 hPa e 100 hPa. I dati presentano una risoluzione spaziale di 0,28° × 0,28° e i valori giornalieri sono stati derivati da dati orari a intervalli di 6 ore (specificamente alle 00:00, 06:00, 12:00 e 18:00). Ulteriori variabili, incluse nelle mappe composite per supportare l’analisi, come la temperatura superficiale media e massima (utilizzate per determinare le metriche delle ondate di calore, si veda “Definizione, metriche e tendenze delle ondate di calore”) e i componenti zonali (u) e meridionali (v) del vento al livello di pressione di 250 hPa, sono state estratte anch’esse dai dataset ERA5, garantendo coerenza e completezza nella base dati.
Definizione, metriche e tendenze delle ondate di calore. Non esistendo una definizione universale per le ondate di calore, il presente studio adotta criteri e soglie che sono stati ampiamente validati e applicati nella letteratura scientifica. Le principali proprietà di un’ondata di calore comprendono l’aspetto fisico, che quantifica l’intensità in base alle temperature raggiunte, l’aspetto temporale, che ne misura la durata, e l’aspetto spaziale, che ne descrive l’estensione geografica. In questo lavoro, un giorno è classificato come giorno di ondata di calore sulla base dei seguenti parametri:
- Soglia termica: la temperatura massima giornaliera deve superare il 90° percentile della distribuzione delle temperature massime del periodo analizzato, calcolato su una finestra mobile centrata di 15 giorni, in conformità con l’approccio metodologico proposto da Fischer e Schär⁶¹.
- Durata temporale: le ondate di calore sono identificate come periodi di almeno 3 o 6 giorni consecutivi in cui la soglia di temperatura viene superata. Nel testo principale sono riportati i risultati relativi alle ondate di calore di lunga durata (≥6 giorni consecutivi), mentre i dati relativi a eventi più brevi (≥3 giorni consecutivi) sono disponibili nel Materiale Supplementare.
- Estensione spaziale: un evento è riconosciuto come ondata di calore se copre un’area superiore a 40.000 km² all’interno di una finestra scorrevole di 4° × 4°, un criterio ispirato a Stefanon et al.⁶³. Diverse configurazioni di finestre scorrevoli sono state testate, ma non hanno influenzato significativamente i risultati della rilevazione.
Oltre alla frequenza delle ondate di calore, l’attenzione è stata rivolta anche alla loro intensità. A tal proposito, è stata adottata la metrica dell’intensità cumulativa delle ondate di calore, definita secondo Perkins-Kirkpatrick e Lewis³, che integra il calore in eccesso rispetto alla soglia termica per ciascun episodio. Per un’analisi regionale, questa metrica viene aggregata sull’intera estensione spaziale considerata. Tale indicatore si distingue per la sua capacità di sintetizzare in un unico valore le dimensioni chiave di un’ondata di calore—intensità, durata ed estensione geografica—facilitando così confronti tra diverse regioni o anni. Inoltre, la focalizzazione sull’eccesso di calore oltre la soglia termica conferisce a questa metrica una maggiore rilevanza in termini di impatto climatico e sociale³.
In tutte le istanze in cui l’intensità cumulativa delle ondate di calore è aggregata a livello regionale, sono stati inclusi esclusivamente i punti griglia terrestri, con un’aggiustamento ponderato in base al coseno della latitudine per compensare le variazioni dimensionali delle celle griglia tra le diverse zone latitudinali, assicurando una rappresentazione accurata delle condizioni locali.
Tutte le tendenze riportate in questo studio, incluse quelle relative alle metriche delle ondate di calore e alla frequenza e occorrenza dei doppi getti, sono state determinate come pendenze di linee di minimi quadrati calcolate per ciascuna variabile in funzione del tempo. Inoltre, nel caso delle tendenze degli indici di similarità SOM illustrati in Fig. 3d ed e, è stata applicata una suavizzazione mediante regressione LOESS per migliorare la leggibilità dei dati. Per valutare le differenze tra distribuzioni, è stato impiegato il test statistico di Kolmogorov-Smirnov, garantendo un’analisi robusta delle variazioni osservate.
Identificazione degli Stati del Getto Atmosferico
Per individuare le configurazioni a doppio getto all’interno del campo del vento zonale medio verticale, è stato adottato un algoritmo di clustering non supervisionato basato su reti neurali, denominato Mappe Auto-Organizzanti (SOM³⁵⁻⁶⁴). Le SOM hanno trovato un’ampia applicazione nelle scienze atmosferiche negli ultimi decenni³¹⁻⁶⁵, rappresentando un’alternativa versatile rispetto a tecniche di clustering tradizionali come il metodo k-means o il clustering gerarchico. L’algoritmo SOM si avvia con l’inizializzazione casuale di vettori di peso, seguita da una fase di campionamento in cui un vettore di input selezionato casualmente viene confrontato con l’intero insieme di vettori di peso fino a identificare l’Unità Migliore di Corrispondenza (BMU) attraverso una metrica di distanza, in questo caso la somma dei quadrati. Successivamente, il BMU e le sue unità vicine vengono modificati per avvicinarsi al nuovo vettore di input appena introdotto, seguendo un processo guidato da una funzione di apprendimento. Per questa analisi, è stata impiegata una funzione di vicinato di tipo “bolla”, che definisce il numero di nodi vicini al BMU influenzati dall’aggiornamento. Tale funzione prevede una riduzione lineare del raggio di vicinato con l’aumentare delle iterazioni, fino a raggiungere zero, momento in cui l’aggiornamento delle unità vicine cessa, con la distanza euclidea tra il BMU e gli altri nodi SOM che gioca un ruolo determinante. La funzione a gradino associata assegna un valore di 1 finché il raggio di vicinato eccede la distanza euclidea, passando a 0 quando i due valori si equivalgono.
Questo ciclo iterativo viene ripetuto per ciascun vettore di input (l’algoritmo ritorna alla fase di campionamento) finché l’array SOM finale non presenta ulteriori variazioni significative. La stabilizzazione delle SOM si realizza quando tutti i vettori di input sono stati assegnati al loro rispettivo BMU. La peculiarità della funzione di vicinato nell’algoritmo SOM lo distingue da altri metodi di clustering, come il k-means, poiché consente un ordinamento topologico dei cluster SOM nell’array finale, preservando la struttura sottostante dei dati di input e offrendo una rappresentazione più fedele della loro organizzazione spaziale.
Una decisione preliminare cruciale nell’utilizzo delle SOM riguarda la determinazione del numero di cluster da adottare, una scelta che dipende dagli obiettivi specifici dello studio, dall’ambito applicativo e dal grado di generalizzazione desiderato. Per il presente lavoro, sono state sperimentate diverse configurazioni delle SOM (da 2 a 6 cluster, non illustrate), e si è concluso che tre SOM rappresentano in modo adeguato gli stati del getto atmosferico di interesse. L’impiego di più di tre SOM ha prodotto cluster altamente sovrapponibili, mentre due SOM hanno generato pattern eccessivamente generici e poco discriminanti. Inoltre, sono stati condotti test comparativi utilizzando il metodo k-means e il clustering gerarchico sugli stessi dati, con un numero variabile di cluster da 2 a 6, ottenendo risultati complessivamente simili (non mostrati), a conferma della robustezza dell’approccio SOM.
Data la natura stocastica intrinseca dell’algoritmo SOM, che può condurre a risultati leggermente diversi in base alle inizializzazioni casuali, si raccomanda l’esecuzione di molteplici run casuali⁶⁶. In questo studio, sono stati effettuati 10 run casuali, selezionando l’array SOM che meglio riflette i dati di input in base all’errore di quantizzazione, un indicatore che misura la qualità della rappresentazione finale delle SOM in termini di somiglianza tra i cluster SOM e i vettori di dati inclusi⁶⁷. Tale errore è valutato considerando il numero totale di vettori di dati e la loro unità di corrispondenza migliore, ossia il vettore di peso del cluster SOM in cui sono classificati.
Oltre alla sperimentazione del numero di cluster SOM e all’esecuzione di 10 inizializzazioni casuali, è stata condotta un’analisi di sensibilità relativa ai mesi inclusi come input per le SOM e alla definizione del dominio spaziale. Inizialmente, sono stati considerati i dati di giugno, luglio e agosto (JJA), ma i risultati hanno rivelato che giugno presenta un comportamento distintivo rispetto a luglio e agosto per quanto riguarda il getto atmosferico, fungendo più come un mese di transizione tra primavera ed estate. Tale differenza potrebbe essere attribuita al fatto che il gradiente termico più marcato al di sopra del circolo polare artico si manifesta nei mesi di alta estate, a causa delle maggiori discrepanze tra il riscaldamento delle terre e quello degli oceani²⁵. Per valutare la robustezza dei risultati su un periodo caldo esteso, i tre SOM definiti per luglio e agosto sono stati proiettati su maggio, giugno e settembre (Fig. S4). La Figura S5 illustra la distribuzione dei tre stati del getto atmosferico tra i diversi mesi di questo periodo allargato. Maggio e giugno, e in misura minore settembre, sono dominati dallo stato di getto misto, mentre i doppi getti si manifestano quasi esclusivamente nei mesi di luglio e agosto, con una presenza trascurabile negli altri periodi. Ciononostante, anche includendo il periodo maggio-settembre (MJJAS), le composite di temperatura media e intensità cumulativa delle ondate di calore (Fig. S4j-l e m-o) rimangono coerenti con quelle osservate in Fig. 2 per luglio e agosto. Inoltre, le tendenze significative all’aumento della frequenza e della persistenza dei doppi getti (Fig. S4d-f) sono state rilevate anche nell’analisi MJJAS. Sebbene sia stato documentato un prolungamento del periodo estivo medio in Europa⁶⁸⁻⁶⁹ e le ondate di calore a inizio estate possano avere impatti più rilevanti sulla mortalità⁷⁰, la maggior parte delle ondate di calore più severe in Europa si verifica durante l’alta estate (luglio-agosto)⁹. Per tali ragioni, si è optato per concentrare l’analisi esclusivamente su luglio e agosto (JA), in accordo con approcci adottati in studi precedenti⁷¹.
Riguardo al dominio spaziale, sono stati testati sia l’intero emisfero settentrionale che il solo settore eurasiatico. I risultati si sono rivelati consistenti (non mostrati), con i doppi getti che emergono sempre in uno dei cluster con una frequenza di occorrenza simile, portando alla scelta di proseguire l’analisi con gli stati del getto sul settore eurasiatico, ritenuti più pertinenti per gli estremi di calore in Europa.
Di conseguenza, le SOM sono state applicate ai valori del vento zonale medio verticale a vari livelli di pressione (da 800 hPa a 100 hPa, con intervalli di 100 hPa) dei dati giornalieri ERA5 di luglio e agosto per il periodo 1979-2020. Prima dell’applicazione dell’algoritmo di clustering, i campi di vento zonale sono stati ponderati in base al coseno della latitudine per compensare le differenze dimensionali delle celle griglia, assicurando una rappresentazione accurata delle dinamiche atmosferiche su scala regionale.A causa della natura stocastica intrinseca dell’algoritmo delle Mappe Auto-Organizzanti (SOM), che può condurre a risultati variabili in funzione delle inizializzazioni casuali, si rende necessaria l’esecuzione di molteplici run casuali per garantire la robustezza delle analisi⁶⁶. In questo studio, sono stati condotti 10 run casuali, selezionando l’array SOM che offre la rappresentazione più accurata dei dati di input, valutata attraverso l’errore di quantizzazione. Quest’ultimo rappresenta un indicatore chiave della qualità della configurazione finale delle SOM, misurando il grado di somiglianza tra i cluster SOM e i vettori di dati ad essi associati⁶⁷. Tale parametro è determinato considerando l’insieme totale dei vettori di dati e la loro unità di corrispondenza migliore, identificata come il vettore di peso del cluster SOM in cui ciascun vettore è classificato.
Oltre alla sperimentazione con diverse configurazioni numeriche dei cluster SOM e all’esecuzione di 10 inizializzazioni casuali, è stata condotta un’analisi di sensibilità volta a esplorare l’impatto della selezione dei mesi di input per le SOM e della definizione del dominio spaziale. Inizialmente, sono stati inclusi i dati relativi a giugno, luglio e agosto (JJA), ma l’analisi ha rivelato che giugno esibisce un comportamento distintivo rispetto a luglio e agosto in termini di dinamica del getto atmosferico, fungendo più come un mese di transizione tra la primavera e l’estate. Tale differenza potrebbe essere attribuita alla presenza di un gradiente termico più accentuato al di sopra del circolo polare artico nei mesi di alta estate, dove le discrepanze tra il riscaldamento delle terre emerse e quello delle superfici oceaniche raggiungono il loro massimo²⁵. Per valutare la stabilità dei risultati su un periodo caldo esteso, i tre SOM definiti per luglio e agosto sono stati proiettati su maggio, giugno e settembre (Fig. S4). La Figura S5 illustra la distribuzione dei tre stati del getto atmosferico tra i diversi mesi di questo intervallo temporale allargato. Maggio e giugno, e in misura ridotta settembre, sono caratterizzati dalla predominanza dello stato di getto misto, mentre i doppi getti si manifestano quasi esclusivamente nei mesi di luglio e agosto, con una frequenza trascurabile negli altri periodi. Tuttavia, anche considerando il periodo maggio-settembre (MJJAS), le composite di temperatura media e intensità cumulativa delle ondate di calore (Fig. S4j-l e m-o) mantengono una coerenza con quelle osservate in Fig. 2 per il solo periodo luglio-agosto. Inoltre, le tendenze significative all’aumento della frequenza e della persistenza dei doppi getti (Fig. S4d-f) sono state confermate anche nell’analisi estesa a MJJAS. Sebbene sia stato documentato un prolungamento della durata media della stagione estiva in Europa⁶⁸⁻⁶⁹ e le ondate di calore a inizio estate possano esercitare impatti più rilevanti sulla mortalità⁷⁰, la maggior parte delle ondate di calore più intense e devastanti in Europa si verifica durante l’alta estate (luglio-agosto)⁹. Pertanto, si è optato per restringere l’analisi ai soli mesi di luglio e agosto (JA), in coerenza con gli approcci metodologici adottati in studi precedenti⁷¹.
Relativamente al dominio spaziale, sono stati esaminati sia l’intero emisfero settentrionale che il solo settore eurasiatico. I risultati si sono dimostrati invarianti (non illustrati), con i doppi getti che emergono costantemente in uno dei cluster con una frequenza di occorrenza simile, giustificando la decisione di proseguire l’analisi con gli stati del getto limitati al settore eurasiatico, ritenuti più rilevanti per la comprensione degli estremi di calore in Europa.
Di conseguenza, le SOM sono state applicate ai valori del vento zonale medio verticale a una serie di livelli di pressione (da 800 hPa a 100 hPa, con incrementi di 100 hPa) derivati dai dati giornalieri ERA5 relativi a luglio e agosto per il periodo 1979-2020. Prima dell’applicazione dell’algoritmo di clustering, i campi di vento zonale sono stati corretti mediante un ponderamento basato sul coseno della latitudine, al fine di compensare le variazioni dimensionali delle celle griglia tra diverse latitudini, garantendo così una rappresentazione spaziale più equilibrata. Gli stati del getto identificati dalle SOM sono descritti attraverso le composite dei giorni associati a ciascun cluster, la frequenza totale di occorrenza sull’intero periodo di studio e la frequenza e persistenza annuali. La frequenza annuale quantifica il numero di giorni assegnati a ciascun stato del getto (SOM) per anno, mentre la persistenza annuale corrisponde al numero massimo di giorni consecutivi associati a ciascun cluster nello stesso anno.
Successivamente, concentrandosi sugli eventi di doppio getto più persistenti, in particolare quelli che superano il 90° percentile di durata, si è proceduto a un ulteriore clustering del vento meridionale a 250 hPa (v250) sull’Eurasia per tali eventi, con l’obiettivo di identificare i pattern ondulatori dominanti. Il campo v250 è stato suddiviso in due SOM, eseguendo 10 run casuali e selezionando la configurazione con il minor errore di quantizzazione. Per indagare la presenza di tendenze nell’occorrenza dei due cluster v250, è stato calcolato un indice di similarità tra le composite v250 e i campi giornalieri di v250. Sono state quindi determinate le tendenze lineari di tali indici, e, per catturare eventuali variazioni non lineari, è stata applicata una curva di regressione LOESS suavizzata con un parametro di span pari a 0,75. Tutte le implementazioni delle SOM sono state effettuate utilizzando l’ambiente di programmazione R e la versione più recente del pacchetto “kohonen”⁷².
Collegamenti tra Stati del Getto Atmosferico e Clima
Sono state elaborate composite di diverse variabili atmosferiche per i giorni associati a ciascuno dei tre stati del getto atmosferico precedentemente identificati, al fine di analizzare le loro caratteristiche distintive. Le composite relative al vento zonale al livello di 250 hPa (u250) e alla temperatura superficiale media sono state generate utilizzando dati sottoposti a detrending e desessonalizzazione, e sono presentate sotto forma di anomalie rispetto alla climatologia, definita come la condizione media calcolata su tutti i giorni del periodo di studio (luglio e agosto per gli anni 1979-2020). Per quanto riguarda le composite dell’intensità cumulativa delle ondate di calore, i dati sono stati sottoposti a un processo di detrending mediante la rimozione, per ogni punto griglia, della tendenza media delle terre nelle medie latitudini dell’emisfero settentrionale (25-70°N). Tali composite sono quindi espresse come anomalie relative in percentuale rispetto alla climatologia, consentendo una valutazione standardizzata delle deviazioni rispetto alle condizioni di base.
Per indagare i rapporti tra gli stati del getto atmosferico e le metriche delle ondate di calore, sono stati sviluppati modelli di regressione lineare volti a quantificare la frazione della variabilità delle ondate di calore osservata che può essere attribuita all’influenza del getto atmosferico all’interno di un quadro modellistico lineare. Al fine di ridurre eventuali distorsioni indotte da tendenze a lungo termine, sia i regressori—rappresentati dalla frequenza e dalla persistenza degli stati del getto—sia le metriche delle ondate di calore—comprendenti frequenza e intensità cumulativa—sono stati sottoposti a un processo di detrending preliminare. Successivamente, sono state stimate le tendenze delle metriche delle ondate di calore per ciascun punto griglia utilizzando i parametri derivati dal modello di regressione lineare del passo precedente. Questi parametri, ottenuti da dati detrendizzati, sono stati applicati ai regressori non detrendizzati—frequenza e persistenza del getto—per calcolare le tendenze previste, permettendo un confronto diretto con le tendenze osservate. Per la determinazione della tendenza osservata, è stata considerata la tendenza residua calcolata per ogni punto griglia, ottenuta sottraendo la tendenza media delle terre delle medie latitudini. Come approssimazione di primo ordine, si è assunto che il contributo termodinamico all’incremento delle ondate di calore sia relativamente uniforme tra le diverse regioni delle medie latitudini. La tendenza residua osservata rappresenta, pertanto, la componente eccedente attribuibile a fattori aggiuntivi, quali variazioni dinamiche nel comportamento del getto atmosferico e feedback locali, offrendo una base per ulteriori approfondimenti sulle interazioni climatiche complesse.
Collegamenti tra Stati del Getto Atmosferico e Clima
Sono state elaborate composite di diverse variabili atmosferiche per i giorni associati a ciascuno dei tre stati del getto atmosferico precedentemente identificati, al fine di analizzare le loro caratteristiche distintive. Le composite relative al vento zonale al livello di 250 hPa (u250) e alla temperatura superficiale media sono state generate utilizzando dati sottoposti a detrending e desessonalizzazione, e sono presentate sotto forma di anomalie rispetto alla climatologia, definita come la condizione media calcolata su tutti i giorni del periodo di studio (luglio e agosto per gli anni 1979-2020). Per quanto riguarda le composite dell’intensità cumulativa delle ondate di calore, i dati sono stati sottoposti a un processo di detrending mediante la rimozione, per ogni punto griglia, della tendenza media delle terre nelle medie latitudini dell’emisfero settentrionale (25-70°N). Tali composite sono quindi espresse come anomalie relative in percentuale rispetto alla climatologia, consentendo una valutazione standardizzata delle deviazioni rispetto alle condizioni di base.
Per indagare i rapporti tra gli stati del getto atmosferico e le metriche delle ondate di calore, sono stati sviluppati modelli di regressione lineare volti a quantificare la frazione della variabilità delle ondate di calore osservata che può essere attribuita all’influenza del getto atmosferico all’interno di un quadro modellistico lineare. Al fine di ridurre eventuali distorsioni indotte da tendenze a lungo termine, sia i regressori—rappresentati dalla frequenza e dalla persistenza degli stati del getto—sia le metriche delle ondate di calore—comprendenti frequenza e intensità cumulativa—sono stati sottoposti a un processo di detrending preliminare. Successivamente, sono state stimate le tendenze delle metriche delle ondate di calore per ciascun punto griglia utilizzando i parametri derivati dal modello di regressione lineare del passo precedente. Questi parametri, ottenuti da dati detrendizzati, sono stati applicati ai regressori non detrendizzati—frequenza e persistenza del getto—per calcolare le tendenze previste, permettendo un confronto diretto con le tendenze osservate. Per la determinazione della tendenza osservata, è stata considerata la tendenza residua calcolata per ogni punto griglia, ottenuta sottraendo la tendenza media delle terre delle medie latitudini. Come approssimazione di primo ordine, si è assunto che il contributo termodinamico all’incremento delle ondate di calore sia relativamente uniforme tra le diverse regioni delle medie latitudini. La tendenza residua osservata rappresenta, pertanto, la componente eccedente attribuibile a fattori aggiuntivi, quali variazioni dinamiche nel comportamento del getto atmosferico e feedback locali, offrendo una base per ulteriori approfondimenti sulle interazioni climatiche complesse.
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