La zona di convergenza intertropicale (ITCZ) è da tempo considerata un fattore di controllo importante sulla pioggia tropicale sia sugli oceani che sulla terraferma. In Africa, il ciclo delle stagioni delle piogge è generalmente associato al suo spostamento nord-sud, in quanto questa zona “segue” il sole. Il presunto legame con le stagioni delle piogge tropicali risale a un periodo in cui si pensava che le precipitazioni tropicali fossero prodotte principalmente da temporali locali, con la risalita nell’ITCZ che favorisce il loro sviluppo quando le condizioni termodinamiche erano favorevoli. Questa supposizione di una convezione puramente localizzata è stata da tempo confutata, con numerosi studi che mostrano l’importanza dei sistemi convettivi a mesoscala (ad es., Nesbitt et al. 2000; Nesbitt e Zipser 2003) e delle onde che innescano la convezione che si propagano a livello globale (ad es., Mekonnen et al. 2008; Janiga e Thorncroft 2016) e il ruolo dell’instabilità inerziale nella generazione della convezione (ad es., Tomas e Webster 1997). Alla luce di questa evoluzione della nostra comprensione delle precipitazioni tropicali, sembra significativo riesaminare anche il concetto di ITCZ. Qui, questa questione viene sollevata specificamente per l’Africa equatoriale, dove le stagioni delle piogge si verificano due volte all’anno – in primavera e autunno boreali.
DEFINIZIONI DELL’ITCZ
L’ambiguità del concetto di ITCZ viene resa chiara con un breve sondaggio sulle definizioni presenti in letteratura. Gli usi differiscono rispetto alla variabile scelta per definire questa zona. Nell’Enciclopedia della Climatologia Mondiale, Yan (2005) afferma che l’ITCZ è “una regione di bassa pressione orientata da est a ovest vicino all’equatore dove si incontrano i venti alisei di superficie da nordest e sudest”; vale a dire, l’accento è sulla pressione. Secondo Miller (1996) nell’Enciclopedia del Clima e del Tempo, è “una regione vicino all’equatore dove i venti alisei convergono”. Il Glossario di Meteorologia della American Meteorological Society (AMS) (Glickman 2000) fornisce una definizione simile: “L’asse, o una parte di esso, della larga corrente dei venti alisei dei tropici” e la “linea di divisione tra i venti alisei del sudest e quelli del nordest”. Una seconda definizione lo equipara all’equatore meteorologico. Holton et al. (1971) definiscono l’ITCZ come il “luogo di aggregazione di nubi associato a disturbi ondulatori tropicali che si propagano verso ovest”, una definizione condivisa da Lockwood (1974).Forse a causa di questa ambiguità nella definizione, il tracciamento dell’ITCZ è stato basato variamente sul minimo di pressione, sulla convergenza del vento di superficie (Grodsky et al. 2003), sul massimo delle precipitazioni (Sultan e Janicot 2000; Philander et al. 1996), sul massimo della vorticità (Magnusdottir e Wang 2008), sul minimo nella radiazione a lunghezza d’onda uscente (Gu e Zhang 2002), o sul massimo della nuvolosità (Waliser e Gautier 1993). La disponibilità di foto satellitari ha portato a utilizzare spesso gli ultimi due parametri per comodità (Waliser e Gautier 1993). L’uso di così tanti parametri diversi è stato giustificato dalle assunzioni di lunga data che 1) il minimo di pressione e il massimo delle precipitazioni si trovano nello stesso punto e con la convergenza del vento, 2) la massima nuvolosità è approssimativamente nello stesso punto del massimo delle precipitazioni, e 3) la radiazione a lunghezza d’onda è minima in quel punto. Sfortunatamente, queste assunzioni, specialmente la prima, non resistono a un esame attento. Anche sugli oceani, la zona di pressione minima non coincide generalmente con quella della convergenza del vento o con il massimo delle precipitazioni (Tomas e Webster 1997; Toma e Webster 2010). Sull’Africa occidentale, anche il massimo nella convergenza di superficie si trova a circa 350 km a sud della discontinuità del vento di superficie tra i venti orientali e occidentali (Hastenrath 1988).È da notare che la maggior parte delle definizioni enfatizza la convergenza dei venti alisei. Questo può essere appropriato su alcuni settori oceanici. Tuttavia, per la maggior parte, i venti alisei non esistono sulle masse terrestri tropicali. Pertanto, sull’Africa le rappresentazioni dell’ITCZ di superficie rappresentano invece l’incontro dei venti di nordest e del flusso monsonico di sudovest. Tuttavia, il termine è troppo spesso applicato al massimo delle precipitazioni. Riconoscendo che la zona di convergenza di superficie e il massimo delle precipitazioni non sono strettamente collegati, molti autori ora evitano l’uso del termine ITCZ nel discutere delle precipitazioni sull’Africa. Ad esempio, nel descrivere il massimo delle precipitazioni, Ross e Krishnamurti (2007) preferiscono il termine cintura di pioggia equatoriale. Zhang et al. (2006) usano il termine fascia di pioggia e Nicholson (2009) sostituisce il termine con cintura di pioggia tropicale. Quest’ultimo termine è usato in questo articolo. Chiaramente, sulla maggior parte delle masse terrestri tropicali, e sull’Africa in particolare, l’uso del termine ITCZ dovrebbe essere evitato tranne che nelle aree costiere dove i venti alisei sono influenti.
SVILUPPO STORICO DEL CONCETTO DI ITCZ.
Una ricerca nella letteratura meteorologica iniziale rivela altrettanta confusione e ambiguità riguardo all’ITCZ e alla sua origine storica. Nieuwolt (1977), nel suo libro sulla meteorologia tropicale, suggerisce che il concetto risale al modello di Hadley (1735). Hadley, tuttavia, non ha menzionato la convergenza, ma è implicita nel suo modello delle celle verticali. Il concetto era sicuramente entrato in voga negli anni ’20 e ’30, quando i meteorologi cercavano di applicare i concetti frontali delle medie latitudini della scuola di Bergen ai tropici (Barry e Chorley 1992; Palmer 1951). La prima menzione della convergenza dei venti alisei tra i due emisferi potrebbe essere stata in un articolo di Brooks e Braby (1921) intitolato “Lo scontro dei commerci nel Pacifico”. Questa caratteristica, identificata dalla confluenza delle linee di flusso e non dalla convergenza del vento orizzontale, è diventata nota come fronte intertropicale (ITF). Quando l’importanza della convergenza del vento nel tempo tropicale è stata realizzata negli anni ’40 e ’50 (Barry e Chorley 1992), la convergenza dei venti alisei è stata designata come zona di convergenza intertropicale, inizialmente abbreviata come ITC (Fletcher 1945) (Fig. 1).La maggior parte del lavoro che ha portato allo sviluppo del concetto di ITCZ si basava sulle condizioni nell’Oceano Pacifico. Successivamente, Bjerknes et al. (1933) descrissero l’ITF su tutti e tre gli oceani tropicali e tentarono anche di tracciarne il percorso sulla terraferma in Africa e nel Sud-Est asiatico. Petterssen (1941, 1958) promosse ulteriormente l’immagine globale di un’ITCZ ma la definì come l’incontro dei venti alisei. La usò per spiegare il modello di precipitazioni di base che esiste su gran parte dei tropici: stagionalità bimodale delle precipitazioni nelle latitudini equatoriali con il doppio transito equatoriale dell’ITCZ, unimodale nei tropici esterni quando l’ITCZ raggiunge le sue posizioni latitudinali estreme. Palmén e Newton (1969) successivamente pubblicarono un’immagine globale di linee di flusso di superficie con le parti terrestri che rappresentavano essenzialmente un compromesso soggettivo tra le posizioni mostrate dalle analisi di Mintz e Dean (1952) e Riehl (1954).
Varianti delle loro mappe si ripetono in quasi ogni libro di testo di climatologia, così come in una moltitudine di articoli e libri di testo di una vasta gamma di discipline. La parte sull’Africa è stata generalmente adottata come le posizioni di gennaio e luglio dell’ITCZ (Fig. 2). Alla fine, è emerso il quadro di una zona globale in cui minimo di pressione, massimi di nuvole e precipitazioni, e convergenza del vento a basso livello coincidono.
Queste idee non sono state senza controversie. Trewartha (1943) ha sottolineato l’ambiguità dell’ITCZ e l’approccio piuttosto capriccioso per delinearla. Afferma che c’è “una notevole vaghezza nell’esattamente definire questo fronte, alcuni autori lo rendono sinonimo di calma equatoriale, altri lo collocano ai margini equatoriali dei venti alisei”. Riehl (1979), nel suo classico libro sulla meteorologia tropicale, ha focalizzato l’attenzione sul campo di pressione (cioè, il solco equatoriale). Ha argomentato contro l’uso del termine ITCZ, affermando che la convergenza è intermittente e che il termine si riferisce a “vecchi tempi in cui si pensava che l’incontro di masse d’aria settentrionali e meridionali avvenisse proprio all’equatore”. Un fatto che Riehl citava come contrario a questa immagine era lo spostamento stagionale indipendente del massimo delle precipitazioni, rispetto allo spostamento del minimo di pressione e alla convergenza superficiale. Palmén e Newton (1969) hanno sottolineato che, in quella che hanno definito la zona di confluenza dei venti alisei, c’erano generalmente cieli relativamente sereni e poca precipitazione. Ramage (1971) è stato particolarmente duro nella sua critica del concetto di ITCZ.
Ramage afferma che il concetto originale del fronte intertropicale o ITF ha confuso i meteorologi tropicali, che hanno notato che “il tempo peggiore” e l’ITF non coincidono. Ha concluso che la confusione è stata aggravata quando è entrato in uso il termine ITCZ e che “la confusione è diventata caos” quando i meteorologi tropicali hanno iniziato a usare i termini ITF e ITCZ “indiscriminatamente e in modo interscambiabile”. È da notare che Ramage ha rifiutato di usare entrambi i termini nel suo libro.
Hastenrath (1988) ha apertamente chiesto l’abbandono delle “nozioni antiquate” della coincidenza globale dei vari parametri. Nel loro ampiamente utilizzato libro di testo di climatologia, Barry e Chorley (1992) hanno distinto tra un ITCZ sull’oceano e un ITF sulla terraferma. Hanno menzionato che la formazione è discontinua nel tempo e nello spazio e non ben sviluppata nei doldrums. È da notare che il termine ITCZ non appare in altri due libri di testo ampiamente utilizzati, “Atmospheric Science” di Wallace e Hobbs (2006) e “Compendium of Tropical Meteorology” di Krishnamurti (1979). Sull’Africa, quest’ultimo testo si riferisce invece a una “linea di separazione del vento”. Inoltre, studi dettagliati dell’ITCZ globale, come quello di Schneider et al. (2014), considerano solo le regioni oceaniche.In sintesi, le origini del paradigma dell’ITCZ per l’Africa sono oscure, ma è chiaramente emerso da tentativi di parallelizzare concetti di latitudini medie. Tuttavia, il suo sviluppo è stato casuale. La maggior parte di coloro che hanno argomentato a favore e implementato il concetto erano meteorologi di latitudini medie. I meteorologi tropicali, e in particolare coloro che hanno effettivamente lavorato in Africa, hanno criticato duramente il paradigma dell’ITCZ e le sue applicazioni, con molti che suggerivano che era completamente sbagliato. Sfortunatamente, l’uso di questo paradigma è persistito.
Fig. 1. Schema ideale dell’ITCZ, come descritto storicamente.
Fig. 2. L’ITCZ (linea punteggiata) sull’Africa in luglio-agosto e gennaio (da Nicholson 2011). La linea tratteggiata è il confine dell’aria del Congo.
In questo contesto, l’ITCZ (Zona di convergenza intertropicale) è rappresentata da una linea punteggiata e mostra la posizione di questa zona sull’Africa nei mesi di luglio-agosto e gennaio. La linea tratteggiata rappresenta il confine dell’aria del Congo, un termine utilizzato per descrivere un particolare sistema meteorologico o di circolazione atmosferica nella regione del Congo. La “Congo Air Boundary” (CAB) è un sistema meteorologico che è stato identificato come di fondamentale importanza per le precipitazioni dell’Africa meridionale, in particolare in Angola, Zambia e nella Repubblica Democratica del Congo meridionale. La CAB viene identificata come una linea in cui l’umidità cambia rapidamente da molto umida a molto secca nel corso di un paio di centinaia di chilometri
La Figura 3 rappresenta le zone meteorologiche dell’Africa occidentale in relazione alla posizione della Zona di convergenza intertropicale (ITCZ) sulla superficie. Questo modello è stato per la prima volta identificato da Hubert nel 1926, che lo definì come ITF, ovvero il punto di incontro di due masse d’aria, l’arido harmattan del nordest (NE) e il monsone umido del sudovest (SW). Tuttavia, l’origine del modello iniziale è stata attribuita a diverse fonti, tutte meteorologi che hanno lavorato in Africa. Questa figura illustra correttamente la relazione spaziale tra la ITCZ e le zone di precipitazioni in Africa occidentale. Tuttavia, come descritto in seguito, la ITCZ e le zone di precipitazioni non sono strettamente collegate. Griffiths (1972) sembra essere stato il primo a associare uno spostamento in latitudine di queste zone con il ciclo stagionale in Africa occidentale1.
L’ITCZ E IL CICLO DELLE STAGIONI IN AFRICA.
Hubert (1926) potrebbe essere stato il primo a identificare un’entità equivalente all’ITCZ in Africa. Ha utilizzato il termine ITF, definendolo come l’incontro di due masse d’aria, l’arida harmattan del nord-est (NE) e il monsone umido del sud-ovest (SW). A un certo punto è stata pubblicata la figura 3 che raffigura le zone climatiche rispetto all’ITCZ di superficie sull’Africa occidentale, ma l’origine del modello iniziale è stata attribuita a varie fonti (Trewartha 1961) – Solot (1943), Walker (1957, 1958), e Hamilton et al. (1945) – tutti i quali hanno lavorato come meteorologi in Africa, così come A Pilot’s Primer of West African Weather (Knight and Smith 1944). Sull’Africa occidentale, dove lavoravano i suddetti meteorologi, il diagramma rappresenta più o meno correttamente la relazione spaziale tra l’ITCZ e le zone di pioggia. Tuttavia, come descritto più avanti, l’ITCZ e le zone di pioggia sono scollegati. Griffiths (1972) sembra essere stato il primo ad associare uno spostamento in latitudine di queste zone con il ciclo stagionale sull’Africa occidentale.Henderson et al. (1949) potrebbero essere stati i primi ad applicare il concetto di ITCZ specificamente all’Africa orientale, attribuendo il ciclo stagionale delle precipitazioni lì al movimento dell’ITCZ verso e lontano dall’equatore. L’associazione tra l’ITCZ e la stagionalità delle precipitazioni, come presentato da Petterssen (1941), è stata anche estesa all’Africa sotto forma di un diagramma simile a quello nella Fig. 4 (Miller 1971; Flohn 1964). Questo paradigma viene utilizzato ampiamente non solo nella letteratura meteorologica, ma appare anche in fonti correlate a discipline disparate come geologia, ecologia, paleoclima e storia. Eventualmente, la visione per le stagioni estreme pubblicata da Bjerknes et al. (1933) è stata ampliata nel diagramma spesso riprodotto in Fig. 5, che mostra l’ITCZ in quattro stagioni. La fonte originale sembra essere l’atlante di Thompson (1965), Il Clima dell’Africa, ma questa rappresentazione è apparsa ulteriormente nella tesi di dottorato in francese di Dhonneur (1974), che viene anche spesso citata come fonte. Sull’Africa occidentale, dove il concetto è meglio sviluppato, vari autori hanno aggiunto ulteriori dettagli sul legame con il regime delle precipitazioni.Si noti che l’immagine dell’ITCZ sull’Africa nella Fig. 5 differisce notevolmente dall’immagine basata sulle mappe di flusso di Palmén e Newton (1969) (Fig. 2). Nel frattempo, molte altre immagini significativamente diverse dell’ITCZ africano sono apparse nella letteratura. Già negli anni ’50, l’applicazione del concetto all’Africa fu molto criticata. Crowe (1951) ha mostrato quanto sia difficile utilizzare l’ITCZ per spiegare la stagionalità delle precipitazioni nelle stazioni costiere dell’Africa. Tschirhart (1959), un meteorologo che lavorava in Africa equatoriale, ha criticato l’ambiguità riguardo alla natura dell’ITF e ha ulteriormente affermato che l’ITCZ e l’ITF dovrebbero essere considerate entità distinte, con il termine ITCZ limitato all’oceano. Obasi (1976), un nigeriano che lavorava in Kenya, ha affermato che l’ITCZ non svolge alcun ruolo nelle previsioni in Africa orientale. Leroux (2001) fornisce una critica mordace del concetto sull’Africa. Egli sottolinea la mancanza di una definizione accettata, le analisi soggettive utilizzate per formulare le carte dell’ITCZ, le immagini molto divergenti di esso che sono state pubblicate, i parametri piuttosto variati utilizzati per definirlo, e la pletora di etichette ad esso attaccate. Nel discutere la zona di superficie in cui l’harmattan del NE incontra il monsone del SW, afferma apertamente che “chiamarlo un ITCZ è completamente sbagliato”, e si lamenta che termini “come l’ITF e l’ITCZ…sono inappropriati ma santificati dall’uso”.
La figura 4 mostra le precipitazioni in funzione della latitudine e del mese in Africa orientale, lungo una sezione trasversale a 32° di longitudine est. Il grafico è stato modificato da un’opera originale di Flohn pubblicata nel 1964.
In termini più semplici, il grafico mostra come cambiano le precipitazioni in diversi punti dell’Africa orientale (da nord a sud, ovvero cambiando la latitudine) e in diversi mesi dell’anno. La “sezione trasversale a 32°E” indica che il grafico considera i dati lungo una linea specifica di longitudine (32° est).
La Figura 5 mostra la posizione media mensile dell’ITCZ (Intertropical Convergence Zone) sull’Africa, basato su dati presi da un lavoro di Dhonneur del 1974.
In termini più semplici, il grafico mostra dove si trova mediamente l’ITCZ in ogni mese dell’anno sull’Africa. L’ITCZ è una zona attorno all’equatore dove i venti alisei dell’emisfero settentrionale e meridionale si incontrano, causando spesso forti precipitazioni. La posizione di questa zona può variare a seconda della stagione e della latitudine, ed è importante per la comprensione dei modelli climatici e meteorologici.
La nostra immagine della meteorologia sull’Africa occidentale è fortunatamente cambiata drasticamente, grazie a tali pietre miliari come il Global Atmospheric Research Program (GARP) Atlantic Tropical Experiment (GATE) nel 1974, il lancio del satellite Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) nel 1997, e il progetto di ricerca e la campagna sul campo dell’African Monsoon Multidisciplinary Analysis (AMMA) (Janicot et al. 2008; Redelsperger et al. 2006). L’accento è ora sul monsone dell’Africa occidentale, le fasi del quale sono descritte da Thorncroft et al. (2011). Zhang et al. (2006) e Nicholson (2009) hanno descritto indipendentemente il monsone nella stagione estiva boreale e hanno presentato strutture marcatamente simili. Quest’ultima è mostrata nella Fig. 6. Il punto di entrambe le rappresentazioni è che la discontinuità del vento, solitamente chiamata ITCZ, rappresenta una cella secondaria di moto verticale che è completamente indipendente dalla principale regione di ascesa verticale (anche se si fondono in alcuni anni). La principale ascesa e il massimo delle precipitazioni si trovano tra gli assi del getto africano di venti orientali di media troposfera e il getto di venti orientali tropicali di alta troposfera. Sebbene sia la discontinuità del vento di superficie sia la zona di massima piovosità si spostino latitudinalmente con le stagioni, così come di anno in anno, esse oscillano indipendentemente, con quest’ultima che mostra un molto maggiore spostamento longitudinale (Grist e Nicholson 2001).Sfortunatamente, non è stato pubblicato alcun paradigma così completo per l’Africa equatoriale. Tuttavia, diverse cose sono degne di nota riguardo alla situazione in Africa equatoriale. Prima di tutto, anche l’immagine classica della circolazione dell’Africa (Fig. 5) non mostra alcun ITCZ sull’Africa equatoriale occidentale. In secondo luogo, le precipitazioni lì sono associate principalmente a complessi convettivi a mesoscala e questi sono così intensi e frequenti che Zipser et al. (2006) designano questa regione come quella con i temporali più intensi sulla Terra. Inoltre, il fattore dominante sembra essere la forzatura orografica sulle alture che circondano il bacino del Congo (Jackson et al. 2009). Infine, in Africa equatoriale orientale un fattore precedentemente trascurato è il getto di basso livello di Turkana. Questo sembra essere un fattore importante nell’aridità della regione (Nicholson 2016) e sembra avere anche una grande influenza sulla stagionalità delle precipitazioni. Tuttavia, la maggior parte della letteratura sul clima della regione e sulla variabilità interannuale si riferisce alla stagionalità come legata a un passaggio bisannuale dell’ITCZ. Il resto di questo articolo mette in discussione quel concetto.
La Figura 6 si riferisce a un’immagine o a un grafico che fornisce una rappresentazione schematica della visione riveduta del monsone dell’Africa occidentale, basata su un lavoro di Nicholson del 2009.
In termini più semplici, l’immagine mostra una versione aggiornata e corretta di come funziona il monsone nell’Africa occidentale, secondo l’interpretazione di Nicholson. Un monsone è un sistema di venti stagionale che porta con sé cambiamenti significativi nel clima, inclusa la quantità di pioggia che cade. Questa immagine schematica aiuta a illustrare come questo sistema funziona specificamente nell’Africa occidentale.
ANALISI DEL PARADIGMA ITCZ PER L’AFRICA EQUATORIALE.
Il nucleo del paradigma ITCZ sull’Africa è una migrazione annuale nord-sud, con un passaggio equatoriale bisannuale corrispondente alle due stagioni piovose equatoriali. Di conseguenza, c’è una corrispondente migrazione nord-sud della cintura di pioggia associata alla convergenza a basso livello. Questa sezione esamina la circolazione e le precipitazioni, per vedere se questo paradigma può o meno spiegare il ciclo stagionale nelle latitudini equatoriali. Qui, per amor di discussione, viene adottata la definizione comunemente accettata dell’ITCZ sull’Africa (ovvero, il luogo in cui l’arido harmattan nordest incontrano il flusso umido meridionale del monsone). Alcune delle analisi presentate considereranno l’intero settore equatoriale, ma l’attenzione è rivolta alle regioni equatoriali centrali e occidentali. La meteorologia di queste regioni è meno compresa rispetto a quella delle regioni equatoriali orientali, su cui è stata condotta una notevole ricerca.
Dati. Qui, viene utilizzato il dataset di rianalisi provvisoria del European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) (ERA-Interim) per esaminare i venti vettoriali, la divergenza e il movimento verticale. Il dataset inizia nel 1979 e prosegue fino ad oggi, fornendo una risoluzione spaziale di circa 80 km (0,75° di latitudine-longitudine) e un passo temporale di 6 ore (Dee et al. 2011).Ciascuna delle variabili è stata anche esaminata utilizzando la versione di 40 anni della Rianalisi ECMWF (ERA-40; Uppala et al. 2005) e il set di dati di rianalisi del National Centers for Environmental Prediction–National Center for Atmospheric Research (NCEP–NCAR) (Kalnay et al. 1996; Kistler et al. 2001). Poiché i risultati erano completamente coerenti tra i tre set di dati, vengono presentati solo i risultati basati su ERA-Interim. La maggior parte delle analisi presentate qui esaminano i quattro mesi di gennaio, aprile, agosto e ottobre, con gennaio e agosto che rappresentano gli estremi annuali e aprile e ottobre utilizzati per rappresentare le stagioni piovose equatoriali. Una decisione più difficile è a quale livello utilizzare per rappresentare le condizioni di superficie. Nei settori dell’emisfero settentrionale il terreno è relativamente basso e 1.000 hPa è appropriato, ma in gran parte dell’emisfero meridionale l’altitudine della superficie supera 1.000 m. Come compromesso, viene utilizzato il livello 925-hPa. Tuttavia, risultati simili sono ottenuti se si considera 1.000 hPa. Le precipitazioni vengono valutate a partire da un set di dati indipendente di misure di pioggia raccolti dall’autore. Il set di dati originale è descritto in Nicholson (1986) e Nicholson et al. (2000). Numerose stazioni sono state aggiunte e i record aggiornati (Nicholson et al. 2017). Il set di dati include un totale di 2.091 stazioni all’interno del settore di analisi (Fig. 7). I dati sulle precipitazioni sono stati convertiti in una griglia di ½°, utilizzando una tecnica di vicino naturale (Watson 1999). I risultati medi delle precipitazioni per aprile e novembre, basati sugli anni 1979-2014, sono mostrati nella Fig. 8.
La figura 7 mostra le posizioni delle stazioni di misurazione della pioggia e dei transepti (linee tracciate per l’analisi) utilizzati nello studio. Questi dati provengono da un dataset indipendente raccolto dall’autore dello studio.
Il dataset originale è descritto nei lavori di Nicholson (1986) e Nicholson et al. (2000), e sono state aggiunte numerose stazioni e aggiornati i registri nel corso del tempo (Nicholson et al. 2017). Complessivamente, il dataset include un totale di 2.091 stazioni all’interno del settore di analisi, che sono rappresentate nella Fig. 7.
I dati sulla pioggia sono stati convertiti in una griglia di ½° utilizzando una tecnica chiamata “natural-neighbor” (Watson 1999). Nella Fig. 8 sono presentati i risultati medi della pioggia per i mesi di aprile e novembre, basati sugli anni dal 1979 al 20141.
I venti a basso livello e la divergenza.
Come indicato, la spiegazione comune per il ciclo stagionale nell’Africa equatoriale è la migrazione nord-sud della Zona di convergenza intertropicale (ITCZ). Di conseguenza, si muove tra i due emisferi e attraversa l’equatore due volte l’anno, producendo il ciclo stagionale bimodale nelle regioni equatoriali. Un’esaminazione dei venti a basso livello e della divergenza indica che questo non è il caso.
La Figura 9 mostra i venti vettoriali medi e la divergenza a 925 hPa durante quattro mesi dell’anno. Durante agosto, il “monsone” sud-occidentale prevale sull’Africa occidentale fino a circa 20°N. L’ITCZ (cioè, l’interazione del monsone con l’harmattan nord-orientale) è chiaramente evidente a est, ma molto meno a ovest di circa 10°E, dove la circolazione a basso livello attorno al basso calore del Sahara (non mostrato) interrompe il modello. A 925 hPa una zona continua di convergenza coincide approssimativamente con l’ITCZ.
In aprile, il nucleo della prima stagione delle piogge equatoriali, il flusso sopra l’Africa settentrionale mostra una certa somiglianza con quello di agosto, ma con il modello spostato verso l’equatore di circa 6°-10° di latitudine. L’ITCZ è situato a circa 10°-12°N ed è contrassegnato da una forte convergenza.
In novembre, il nucleo della seconda stagione delle piogge equatoriali, il monsone sud-occidentale è estremamente debole, ma il flusso meridionale cede il passo all’harmattan nord-orientale a circa 8°-10°N. Tuttavia, la principale area di convergenza è un po’ più a nord, ben all’interno del flusso settentrionale, e la convergenza è più debole che in aprile.
La Figura 9 rappresenta i venti vettoriali medi e la divergenza a 925 hPa nei mesi di gennaio, aprile, agosto e novembre. “Venti vettoriali” si riferisce alla direzione e alla forza del vento, rappresentate come vettori, mentre “divergenza” si riferisce alla tendenza del vento a divergere o convergere in un punto specifico.
“925 hPa” è un riferimento alla pressione atmosferica a una certa altitudine. Nell’analisi atmosferica, i livelli di pressione sono usati come un modo per rappresentare l’altitudine, dal momento che la pressione atmosferica diminuisce con l’aumentare dell’altitudine. Un livello di 925 hPa corrisponde approssimativamente a un’altitudine di 750 metri sopra il livello del mare, che è considerato un livello “a basso” nella troposfera, la parte dell’atmosfera in cui si verificano la maggior parte dei fenomeni meteorologici.
“Ogni terzo vettore nell’analisi è rappresentato” significa che, per motivi di chiarezza, non tutti i vettori del vento nel modello sono rappresentati nel grafico. Invece, ogni terzo vettore è mostrato. Questo è un metodo comune per rendere le mappe dei venti più leggibili, poiché la rappresentazione di ogni singolo vettore potrebbe risultare in un grafico troppo affollato e difficile da interpretare.
A gennaio, quando la Zona di convergenza intertropicale (ITCZ) è generalmente rappresentata come aver attraversato l’Africa equatoriale e risiede a circa 20°S (Fig. 2), il cambiamento del vento e la zona di convergenza si trovano chiaramente a circa 6°-10°N. Nota bene, queste posizioni sono fortemente in accordo con le posizioni dell’ITCZ indicate nella Fig. 5.
Quindi, in tutti i casi l’ITCZ rimane ben a nord dell’equatore. In ciascuno dei quattro mesi, una zona contigua di convergenza, situata vicino all’ITCZ, si estende attraverso il continente. Questa zona migra con le stagioni, in accordo con i cambiamenti nel regime del vento visti nella Fig. 9. Tuttavia, la sua migrazione ha poco rapporto con quella della fascia di pioggia. Questo è chiaramente visto dal confronto tra le Figure 8 e 9.
Sia in aprile che in novembre, l’ITCZ e la convergenza associata si trovano ben a nord delle posizioni equatoriali dove si presume che questa caratteristica porti la pioggia. Inoltre, l’ampiezza in latitudine della fascia di pioggia è circa 3-4 volte maggiore dell’ampiezza in latitudine della convergenza a basso livello.
Più interessante è il modello di divergenza nelle posizioni equatoriali durante aprile e novembre. Invece della convergenza a basso livello, prevale la divergenza su gran parte della regione, specialmente attraverso il bacino del Congo (Fig. 9) (vedi anche Jackson et al. 2009). Sull’Africa orientale, i modelli di divergenza in entrambi i mesi assomigliano a quello di gennaio, il cuore della stagione secca. Yang et al. (2015) hanno notato similmente una prevalente divergenza a basso livello su parti dell’Africa orientale durante le stagioni delle piogge. Gran parte della divergenza è associata al getto di Turkana a basso livello (Nicholson 2016), visto nella Fig. 9 a circa 0°-5°N e 35°-40°E (Nicholson 2016).In sintesi, durante le stagioni delle piogge equatoriali, la convergenza a basso livello associata alla Zona di convergenza intertropicale (ITCZ) si trova ben a nord delle regioni che sperimentano precipitazioni in questi periodi. Inoltre, i venti a basso livello sono divergenti, in media, su gran parte della regione durante queste stagioni. Pertanto, i modelli osservati del vento contraddicono ulteriormente il paradigma dell’ITCZ come spiegazione per il ciclo stagionale nelle latitudini equatoriali dell’Africa.
Pioggia e movimento verticale.
Un ulteriore principio del paradigma della Zona di convergenza intertropicale (ITCZ) è uno spostamento progressivo nord-sud della fascia di pioggia nel corso dell’anno, seguendo il percorso del sole allo zenit. La Figura 10 mostra il profilo latitudinale delle precipitazioni durante le due stagioni delle piogge equatoriali lungo i due transetti mostrati nella Figura 7. I profili sono mostrati per tre mesi di ogni stagione: marzo-maggio per la prima stagione e ottobre-dicembre per la seconda stagione. Questi mostrano un certo grado di spostamento nord-sud, ma solo uno dei quattro casi si adatta veramente al classico paradigma dell’ITCZ.
Sull’Africa equatoriale occidentale (16°E) c’è poco spostamento latitudinale della fascia di pioggia tra marzo e aprile. Solo tra aprile e maggio si nota uno spostamento verso nord. La larghezza della fascia di pioggia è relativamente costante durante la stagione. Nella seconda stagione delle piogge, uno spostamento latitudinale è evidente tra ottobre e novembre, ma la fascia di pioggia mostra poco cambiamento in latitudine tra novembre e dicembre. La situazione è molto diversa nell’Africa equatoriale centrale, sopra il bacino del Congo (25°E). Durante la prima stagione delle piogge si nota solo un piccolo spostamento verso nord, ma l’estensione in latitudine della fascia di pioggia diminuisce costantemente tra marzo e maggio. Durante la seconda stagione delle piogge, a entrambe le longitudini, uno spostamento latitudinale è evidente in ogni mese. Solo qui e in questa stagione c’è una forte somiglianza con lo scenario classico dell’ITCZ.
Il paradigma della Zona di convergenza intertropicale (ITCZ) collega inoltre le precipitazioni all’ascesa prodotta dalla convergenza a basso livello. I modelli di velocità verticale durante le due stagioni delle piogge equatoriali, rappresentate da aprile e novembre, smentiscono questo scenario. La Figura 11 rappresenta la velocità verticale tramite omega (velocità verticale in coordinate di pressione) lungo i due transetti a 16° e 25°E, così come con profili latitudinali di topografia e precipitazioni. Sebbene piccole aree di ascesa attorno a 10°N siano associate alle posizioni di superficie dell’ITCZ, l’ascesa si estende solo alla media troposfera e prevale su meno di 10° di latitudine.
Piccole aree di ascesa sono anche evidenti in associazione con picchi topografici. Questi appaiono a ~21°N e ~13°S lungo il transetto a 16°E. A 25°E, appaiono attorno a 14°N in entrambi i mesi e anche a ~12°S solo a novembre.
Nell’ambito latitudinale della fascia di pioggia (molto approssimativamente 5°N-10°S in aprile e 5°N-15°S a novembre) la situazione è piuttosto diversa. Prevalgono la subsidenza a basso livello in entrambi i mesi e lungo entrambi i transetti. Queste aree di subsidenza a basso livello corrispondono in gran parte a aree di divergenza a basso livello o al massimo a una convergenza molto debole (Fig. 9).Ad altitudini superiori, al di sopra dei 850 hPa, una forte ascesa che raggiunge l’alta troposfera abbraccia le latitudini della fascia di pioggia. È importante notare che la corrispondenza tra il movimento verticale e le precipitazioni non è un risultato generato dal modello, poiché il dataset delle precipitazioni è indipendente dal dataset di reanalisi. La profonda colonna di ascesa sembra essere scollegata dalle aree superficiali di ascesa associate all’ITCZ intorno a 10°N. Questo scollegamento è particolarmente chiaro a novembre. Questo indica ulteriormente che l’ITCZ non dovrebbe essere considerata portatrice di piogge stagionali nella regione equatoriale dell’Africa.
La Figura 10 mostra le precipitazioni in funzione della latitudine a 16° e 25°E lungo i due transetti mostrati nella Figura 7 durante la prima (marzo-maggio) e la seconda (ottobre-dicembre) stagione delle piogge equatoriali. In fondo a ciascun pannello c’è l’elevazione della superficie (in metri). Questo vuol dire che il grafico illustra come le precipitazioni cambiano a diverse latitudini durante le due stagioni delle piogge, e come questa distribuzione delle precipitazioni si correla con l’elevazione della superficie terrestre in quei punti.
RIASSUNTO E CONCLUSIONI.
La Zona di convergenza intertropicale (ITCZ) sull’Africa è da tempo un punto di contenzione. Gran parte dell’immagine dell’ITCZ sull’Africa equatoriale è stata derivata da idee vaghe riguardanti la circolazione sull’Africa e gran parte del lavoro originale era congettura. I meteorologi tropicali hanno da tempo suggerito che non è un paradigma appropriato per il ciclo stagionale sull’Africa equatoriale, eppure l’uso di questo paradigma persiste.
La struttura del campo di movimento durante le stagioni delle piogge della primavera e dell’autunno boreali è stata esaminata sull’Africa equatoriale centrale e occidentale. In entrambe le località, la struttura mostrava poca somiglianza con il classico paradigma dell’ITCZ, che implica una convergenza di superficie che porta direttamente all’ascesa e quindi alle precipitazioni. La subsidenza a basso livello sottende gran parte della regione di massima precipitazione. Risulta dalla divergenza delle brezze montane sui monti circostanti (Jackson et al. 2009). L’ascesa associata alla fascia di pioggia tropicale sull’Africa inizia più in alto nell’atmosfera. Chiaramente, la progressione latitudinale della stagione delle piogge equatoriale non segue quella di una zona di convergenza di superficie.
Il paradigma dell’ITCZ suggerisce ulteriormente uno spostamento progressivo verso nord della fascia di pioggia nel corso della prima stagione delle piogge e un movimento progressivo verso sud della fascia di pioggia nel corso della seconda stagione delle piogge. Questo modello è evidente solo a 25°E e solo nella seconda stagione delle piogge. La Figura 10 suggerisce che i cambiamenti durante la prima stagione delle piogge potrebbero essere meglio descritti come una contrazione progressiva della fascia di pioggia, poiché il margine settentrionale mostra relativamente pochi cambiamenti da mese a mese.
Se il paradigma dell’ITCZ è errato, la domanda ovvia è: cosa produce il ciclo stagionale sull’Africa equatoriale, una regione di temporali e attività convettive straordinariamente intensi? Questa domanda è al di là dell’ambito di questo articolo, ma diversi fattori potenziali sono stati identificati in altri studi. Uno importante sono i temporali che si sviluppano negli altopiani che circondano il bacino del Congo; questi si spostano nel bacino di notte quando prevale il flusso catabatico (Jackson et al. 2009). Gli altopiani dell’Africa orientale, sul bordo orientale del bacino del Congo, sono particolarmente importanti nell’iniziazione dei sistemi convettivi di mesoscala che si propagano verso ovest e attraversano le latitudini equatoriali (Hartman 2017, manoscritto inviato a Mon. Wea. Rev.).
Lo sviluppo intenso di questi temporali sul bacino del Congo (cioè l’Africa equatoriale centrale e occidentale) è favorito da alti valori di temperatura potenziale equivalente e di energia potenziale convettiva disponibile (CAPE) durante le due stagioni delle piogge (Hartman 2017, manoscritto inviato a Mon. Wea. Rev.). Anche i campi di moto associati ai getti di media quota sembrano favorire l’ascesa (Nicholson e Grist 2003; Jackson et al. 2009).
Yang et al. (2015), esaminando la regione equatoriale orientale, hanno sottolineato fattori come l’energia statica media, l’energia statica media di saturazione e l’umidità integrata verticalmente dall’Oceano Indiano. Qui, in particolare, il ruolo della topografia nello sviluppo dei sistemi portatori di pioggia deve essere considerato, così come i fenomeni di larga scala come l’oscillazione di Madden-Julian (Berhane e Zaitchik 2014) e le celle verticali sull’Oceano Indiano (Hastenrath et al. 2011; Nicholson 2015; Nicholson et al. 2017, manoscritto inviato a Global Planet. Change).
I primi meteorologi che hanno suggerito il paradigma dell’ITCZ non avevano a disposizione gli strumenti sofisticati di cui dispongono i ricercatori moderni. Le immagini satellitari, i set di dati di rianalisi, i risultati degli esperimenti sul campo e i modelli generati al computer permettono di avere un’immagine molto più dettagliata dell’atmosfera in orizzontale e in verticale. Questo ha portato al modello rivisto del monsone sull’Africa occidentale. Questi stessi strumenti devono essere applicati per approfondire la nostra comprensione del ciclo stagionale sull’Africa equatoriale. Chiaramente, il nostro attuale paradigma sull’ITCZ e sulla sua migrazione stagionale non spiega il ciclo stagionale in questa regione.