Meccanismi della variabilità decennale del Pacifico tropicale

Meccanismi della variabilità decennale del Pacifico tropicale
Antonietta Capotondi1,2, †, Shayne McGregor3,4, Michael J. McPhaden5, Sophie Cravatte6,7, Neil J. Holbrook8,9, Yukiko Imada10, Sara C. Sanchez11, Janet Sprintall12, Malte F. Stuecker13,14, Caroline C. Ummenhofer15,16, Mathias Zeller17, Riccardo Farneti18, Giorgio Graffino19, Shijian Hu20, Kristopher B. Karnauskas11,1, Yu Kosaka21, Fred Kucharski18, Michael Mayer22,23, Bo Qiu13, Agus Santoso24,16, Andréa S. Taschetto24,16, Fan Wang20, Xuebin Zhang25, Ryan M. Holmes26, Jing-Jia Luo27, Nicola Maher1,11,28, Cristian Martinez-Villalobos29,30, Gerald, A. Meehl31, Rajashree Naha3, Niklas Schneider13,14, Samantha Stevenson32, Arnold Sullivan33, Peter van Rensch3, Tongtong Xu1,2 Abstract

Le variazioni naturali del Pacifico tropicale su scale temporali di 7-70 anni—Variabilità Decennale del Pacifico Tropicale (TPDV)—descrivono anomalie di temperatura della superficie del mare (SST), pressione atmosferica a livello del mare e contenuto termico su scala del bacino. Sono proposti diversi meccanismi per spiegare la TPDV, che possono originarsi attraverso processi oceanici, processi atmosferici, o come residuo dell’ENSO. In questa Rassegna, sintetizziamo le conoscenze su questi meccanismi, le loro caratteristiche e il loro contributo alla TPDV. I processi oceanici includono le onde di Rossby extratropicali, che mediano l’adattamento oceanico e contribuiscono alle variazioni nella profondità della termoclina equatoriale e nella SST; variazioni nella forza della circolazione di ribaltamento dell’oceano superficiale superiore, che mostrano una grande anticorrelazione con la SST del Pacifico equatoriale su scale interannuali e decennali; e la propagazione di anomalie di temperatura compensate dalla salinità (“spiciness“) dalle subtropicali alla termoclina equatoriale. I processi atmosferici includono la variabilità interna delle medie latitudini che induce anomalie dei venti (sub)tropicali, che risultano in anomalie della SST equatoriale, e in feedback atmosferici che ne aumentano la persistenza; e teleconnessioni atmosferiche dalla variabilità della SST degli oceani Atlantico e Indiano, che inducono venti favorevoli a anomalie decennali di segno opposto nel Pacifico. Sebbene incerta, l’adattamento tropicale attraverso l’attività delle onde di Rossby è probabilmente un meccanismo dominante. Una comprensione più approfondita dell’origine e delle caratteristiche spettrali dei venti correlati alla TPDV è una priorità chiave.

Punti chiave

• Le variazioni decennali del Pacifico tropicale sono legate ad anomalie della temperatura della superficie del mare su scala del bacino e della pressione atmosferica a livello del mare, ed sono associate a una riorganizzazione zonale del contenuto termico del Pacifico tropicale.
• Le anomalie di temperatura compensate dalla salinità (“anomalie di spiciness”) possono raggiungere la termoclina equatoriale, ma la loro ampiezza appare piccola e la loro influenza sulle temperature della superficie del mare equatoriale rimane incerta.
• La variabilità della circolazione di ribaltamento dell’oceano superiore del Pacifico mostra una grande anticorrelazione con le SST del Pacifico equatoriale su scale interannuali e decennali, suggerendo che meccanismi simili sono operativi su entrambe le scale temporali.
• Anomalie dei venti subtropicali/tropicali generate internamente possono creare anomalie delle SST equatoriali, che a loro volta possono rinforzare le anomalie dei venti localmente e attraverso teleconnessioni atmosferiche per aumentarne la persistenza.
• Anomalie decennali delle SST negli oceani Atlantico e Indiano possono indurre anomalie dei venti nel Pacifico tropicale favorevoli alla formazione di anomalie decennali delle SST di segno opposto.

Introduzione

Il Pacifico tropicale mostra variabilità su una vasta gamma di scale temporali, da quelle stagionali a quelle centennali. Mentre l’El Niño Oscillazione del Sud (ENSO) è il modo dominante di variabilità su scale interannuali (circa 2-7 anni), si osservano anche variazioni “naturali” derivanti da processi interni al sistema climatico nella gamma “decennale”, ovvero su scale temporali più lunghe rispetto a quelle dell’ENSO, ma più brevi della tendenza centennale risultante dal forzamento antropogenico. Le variazioni interne su periodi più lunghi di 7 anni possono verificarsi sia su scale quasi-decennali che multi-decennali, e pertanto definiamo la Variabilità Decennale del Pacifico Tropicale (TPDV) come variabilità nella gamma dei 7-70 anni. La TPDV è l’espressione tropicale di grandi schemi di variabilità come l’Oscillazione Decennale del Pacifico (PDO) nel Pacifico del Nord, e l’Oscillazione Pacifica Interdecennale (IPO) sull’intero bacino del Pacifico. La fase positiva della TPDV è caratterizzata da anomalie positive della temperatura della superficie del mare (SSTAs) nel Pacifico tropicale, e lungo le coste occidentali delle Americhe, e da anomalie negative nelle medie latitudini centrali/occidentali di entrambi gli emisferi, mentre la fase negativa della TPDV mostra SSTAs di segno opposto. Tale TPDV potrebbe risultare semplicemente come un residuo della variabilità interannuale dell’ENSO, ma vari processi oceanici e atmosferici potrebbero anche produrre variabilità su scale decennali, con importanti implicazioni per la potenziale prevedibilità della TPDV. Poiché il Pacifico equatoriale è connesso alle subtropicali attraverso un percorso oceanico, le anomalie di temperatura create nelle subtropicali possono raggiungere la picnoclina equatoriale e essere portate in superficie dall’upwelling equatoriale, un meccanismo noto come l’ipotesi della circolazione media e dell’anomalia di temperatura. In alternativa, i cambiamenti nella circolazione oceanica potrebbero risultare in SSTAs equatoriali attraverso cambiamenti nell’upwelling equatoriale, un meccanismo chiamato l’ipotesi del cambiamento circolatorio. Questi cambiamenti oceanici sono parte di un lento adattamento oceanico alla variabilità atmosferica, mediato dall’attività delle onde oceaniche che si verificano su scale decennali. I processi atmosferici includono influenze dal Pacifico extratropicale, la risposta atmosferica alle SSTAs equatoriali e interazioni con gli oceani Atlantico e Indiano. Tuttavia, non esiste un consenso sull’efficacia e sull’importanza relativa di questi processi.

La TPDV modula le caratteristiche dell’ENSO e alcuni dei suoi impatti globali, ed è stata collegata al tasso di cambiamento della temperatura superficiale media globale. Di conseguenza, la capacità di prevedere la comparsa di differenti epoche decennali nel Pacifico tropicale ha importanti implicazioni sociali, il che ha motivato lo sviluppo di importanti sforzi di previsione decennale in vari centri in tutto il mondo. Tuttavia, la prevedibilità della TPDV rimane elusiva, da qui la necessità di comprendere meglio i suoi meccanismi sottostanti. È anche necessaria una migliore comprensione della TPDV per separare più robustamente la risposta climatica forzata dalla variabilità climatica generata internamente e per ottenere proiezioni future più affidabili del clima del Pacifico tropicale, che ha implicazioni per il clima globale. Alcuni modelli climatici utilizzati sia per le previsioni che per le proiezioni sembrano sottostimare le variazioni decennali generate internamente. Sebbene questa conclusione possa essere seriamente compromessa dalla durata relativamente breve del record osservativo, come indicato dai dati paleoclimatici (Box 2), una valutazione della fedeltà dei modelli nel riprodurre realisticamente i meccanismi rilevanti della variabilità decennale è essenziale.

In questa Rassegna, sintetizziamo criticamente lo stato attuale delle conoscenze sui meccanismi proposti per la TPDV, basandoci su osservazioni, rianalisi oceaniche, modelli dinamici e prove paleoclimatiche. Rispetto ad altre rassegne su questo argomento, che hanno considerato sia la variabilità a bassa frequenza interna che quella forzata antropogenicamente, questa sintesi si concentra sulle variazioni decennali interne per consentire sviluppi approfonditi dei concetti chiave. Descriveremo le caratteristiche salienti della TPDV nel contesto della transizione di fase decennale che è avvenuta alla fine degli anni ’90, seguita da una descrizione dei principali processi oceanici e atmosferici rilevanti per la TPDV. Concludiamo con raccomandazioni per future ricerche e alcune ipotesi su come la TPDV possa cambiare in un mondo più caldo.

Cambiamenti decennali osservati nel Pacifico tropicale
Prima di esaminare i meccanismi proposti per spiegare la TPDV, è importante identificare i cambiamenti oceanici e atmosferici chiave che accompagnano le transizioni di fase decennali. Per illustrare tali cambiamenti, consideriamo il drammatico spostamento verso SST più fredde all’equatore che si è verificato durante il periodo 1999-2014 rispetto al 1984-1999, contemporaneamente alle transizioni di fase sia del PDO che dell’IPO. La struttura spaziale di questi cambiamenti delle SST è caratterizzata da condizioni fredde nel Pacifico equatoriale e da anomalie calde nelle medie latitudini centrali/occidentali. Questo modello è simile a quello ottenuto attraverso una definizione statistica della TPDV, come la principale EOF delle SSTAs filtrate passa-banda di 7-70 anni nel Pacifico tropicale. Il modello TPDV su scala del bacino è poi determinato tramite regressione lineare delle SSTAs sul componente principale associato, l’indice TPDV. Il modello decennale delle SST nel Pacifico tropicale è “simile all’ENSO”, ma con un’estensione meridionale più ampia e con la maggiore variabilità equatoriale spostata più a ovest rispetto alla varianza interannuale dell’ENSO. I grandi cambiamenti delle SST dal 1984-1999 al 1999-2014 sono accompagnati da anomalie della pressione atmosferica a livello del mare nelle extra-tropici di entrambi gli emisferi, e da anomalie dei venti che includono un’intensificazione dei venti alisei orientali nei tropici.

Questa intensificazione dei venti alisei ha portato a cambiamenti nella struttura di densità dell’oceano e nella circolazione, risultando in una riorganizzazione del contenuto termico del Pacifico tropicale. Tale riorganizzazione è catturata dai cambiamenti nell’SSH, una quantità dinamicamente collegata al contenuto termico dell’oceano superiore e alla profondità della termoclina. Differenze positive di SSH (maggiore contenuto termico, termoclina più profonda) si verificano nel Pacifico tropicale occidentale, con massimi situati fuori dall’equatore, mentre differenze negative di SSH (ridotto contenuto termico, termoclina più superficiale) si trovano nella parte centrale e orientale del bacino. Queste differenze di SSH sono coerenti con la firma SSH della TPDV e sono anche coerenti con i tipici modelli decennali di SSH. Un aumento del contenuto termico si osserva nel Pacifico tropicale occidentale alla profondità della termoclina, e è principalmente associato a onde di Rossby che si propagano verso ovest, mentre si riscontra una diminuzione del contenuto termico nell’oceano superiore a est della linea del cambio di data. I cambiamenti oceanici durante le transizioni decennali da negative a positive riflettono largamente i cambiamenti di superficie e sottosuperficie mostrati qui. Anomalie positive di SSH sono presenti anche nei mari indonesiani e nell’Oceano Indiano orientale, suggerendo un trasferimento di calore dal Pacifico all’Oceano Indiano in concomitanza con le fasi negative della TPDV. Infatti, il contenuto termico dell’Oceano Indiano mostra una modulazione decennale che è in fase con le variazioni decennali del Pacifico, probabilmente associate a cambiamenti nei venti del Pacifico occidentale e alla loro influenza sul trasporto dell’Indonesian Throughflow (ITF).

La transizione decennale dopo il 1999 si è verificata in presenza di tendenze tropicali, particolarmente pronunciate nel campo dell’SSH, ed è particolarmente evidente nel Pacifico occidentale, nei mari indonesiani e nell’Oceano Indiano orientale. Questa tendenza dell’SSH, che sembra essersi accelerata dal 2000, è il risultato dell’intensificazione dei venti commerciali superficiali orientali tropicali. Questa intensificazione dei venti e il gradiente zonale dell’SSH non sono catturati dai modelli climatici all’avanguardia, introducendo una grande incertezza nell’attribuzione della tendenza sia alla variabilità interna a bassa frequenza che al cambiamento climatico. Questa ambiguità sottolinea l’importanza di una comprensione approfondita della variabilità interna a bassa frequenza per separare robustamente i due componenti.

A tal fine, ora rivisitiamo i principali meccanismi proposti per la TPDV. Discutiamo prima la possibilità che la TPDV sorga come un residuo delle variazioni interannuali dell’ENSO e poi consideriamo i meccanismi che coinvolgono processi oceanici e atmosferici, così come le influenze atmosferiche dalle extra-tropici e dagli oceani Atlantico e Pacifico. Il modello di TPDV che emerge da un approccio statistico di anomalie che coprono una vasta gamma di scale temporali non presuppone che un singolo insieme di processi fisici dinamicamente correlati sia responsabile, come dimostrato per il PDO, che risulta dalla combinazione di differenti modi dinamici con diverse scale temporali. Lo scopo di questo documento è di chiarire la natura e l’importanza relativa di questi processi.

TPDV come residuo dell’ENSO
Poiché il clima del Pacifico tropicale è dominato dalle variazioni interannuali dell’ENSO, un’ipotesi plausibile è che la TPDV sorga come un residuo dell’ENSO. Infatti, il modello spaziale “simile all’ENSO” della TPDV può essere ricostruito dalle medie decennali dei modelli ENSO in evoluzione, dalle loro fasi di sviluppo a quelle di declino, e dalle variazioni casuali di evento in evento di questi modelli. Inoltre, il verificarsi casuale di un numero dispari di eventi caldi (El Niño) o freddi (La Niña) durante diverse epoche decennali, può risultare in condizioni decennali simili a El Niño o La Niña a causa delle differenze di ampiezza e asimmetria spaziale degli eventi ENSO. Anche un numero dispari di eventi con le maggiori anomalie centrate nell’Est (EP) o nel Centro (CP) del Pacifico può contribuire ai cambiamenti di fondo a bassa frequenza. Similmente all’influenza di disturbi sub-stagionali stocastici sullo sviluppo di El Niño, gli eventi ENSO potrebbero anche agire come inneschi per le transizioni di fase della TPDV, sia attraverso cambiamenti dei venti fuori dall’equatore responsabili dello scarico delle anomalie del contenuto termico nel Pacifico occidentale, sia attraverso cambiamenti equatoriali a bassa frequenza del Pacifico indotti dal riscaldamento dinamico non lineare. Le anomalie del contenuto termico del Pacifico occidentale fuori dall’equatore sono una condizione necessaria affinché un evento ENSO inneschi una transizione della TPDV.

L’interpretazione della TPDV come un residuo dell’ENSO coinvolge anche anomalie sottomarine. Il contenuto termico del Pacifico occidentale mostra una modulazione decennale, con un contenuto termico ridotto durante i periodi di TPDV positiva (anomalie negative prevalenti durante il 1976-1999 quando l’indice TPDV è prevalentemente positivo) e viceversa (anomalie positive prevalenti durante il 1999-2014, associate a una TPDV prevalentemente negativa). Queste variazioni a bassa frequenza sono punteggiate dai cambiamenti del contenuto termico associati all’attività di ricarica-scarica dei singoli eventi ENSO, che sono il segnale dominante nella parte orientale del bacino. La modulazione decennale del contenuto termico del Pacifico tropicale potrebbe quindi essere interpretata come l’involucro a bassa frequenza delle variazioni interannuali dell’ENSO.

Tuttavia, le caratteristiche dell’ENSO dipendono anche dallo stato medio. La fase calda della TPDV, caratterizzata da venti alisei più deboli e da una termoclina più profonda nel Pacifico equatoriale orientale, favorisce eventi El Niño più frequenti e forti di tipo EP, come visto durante il 1976-1999, mentre le fasi negative della TPDV, come il periodo 1999-2014, sono caratterizzate da eventi El Niño più deboli con anomalie di picco nel Pacifico centrale. Gli esperimenti di sensibilità con modelli dinamici hanno effettivamente evidenziato l’impatto delle condizioni di sfondo iniziali sull’evoluzione dell’ENSO e sulla capacità predittiva. La modulazione decennale dell’ENSO, come catturata nei modelli climatici dal secondo EOF delle SSTAs decennali, è significativamente correlata in ritardo con la TPDV, con una grande dipendenza inter-modelli. La modulazione decennale dell’ENSO sembra precedere la fase opposta della TPDV di circa due anni, suggerendo il suo possibile ruolo come precursore delle transizioni di fase della TPDV. Tuttavia, la TPDV precede anche la stessa fase della modulazione decennale dell’ENSO di due anni con una correlazione più alta, indicando che la modulazione dell’ENSO da parte della TPDV potrebbe essere più prominente rispetto all’influenza dell’attività dell’ENSO sulla TPDV.

Analisi delle Dinamiche di Advezione delle Anomalie di Temperatura Equatoriale e il loro Impatto sul Clima del Pacifico”

L’ipotesi “vT” considera l’effetto dell’advezione equatoriale delle anomalie di temperatura all’interno della picnoclina come motore della variabilità termica dell’oceano profondo del Pacifico (TPDV, mostrata in Fig. 3a). Questo meccanismo fu originariamente proposto per le anomalie che lasciano lo strato superficiale misto per entrare nell’oceano sottomarino a nord delle medie latitudini, e sono trasportate dalla circolazione principale (la sottosuperficie settentrionale degli oceani e la Corrente di Trasporto del Sud, Box 1) verso l’equatore, dove vengono spinte in superficie, modificando le temperature della superficie del mare (SST) e portando al cambio della fase TPDV. Tuttavia, osservazioni basate solo su temperature hanno mostrato che queste anomalie si dissolvono prima di raggiungere l’equatore, mettendo in dubbio la fattibilità di questo meccanismo. Ulteriori studi hanno suggerito che il Pacifico Sud potrebbe essere più adatto per il meccanismo “vT” a causa della sua maggiore e più diretta trasportazione equatoriale. Infatti, la presenza della Zona di Convergenza Intertropicale (ITCZ) nel Pacifico Nord tropicale altera la profondità della picnoclina e crea una “barriera di vorticità” che limita il flusso equatoriale interno (Fig. 3).

Inoltre, un esame più accurato dei meccanismi tramite i quali i segnali subtropicali raggiungono l’equatore ha evidenziato due diversi tipi di meccanismi: anomalie di spiciness trasportate come tracciatore passivo dalla media circolazione TPDV, e anomalie di temperatura non compensate che si propagano come onde planetarie.

Propagazione di onde di anomalie di temperatura non compensate

Le onde di Rossby oceaniche causano spostamenti isopicnali che si manifestano come anomalie di temperatura sulle superfici isopicnali medie temporali. L’attività delle onde di Rossby è stata collegata ad anomalie di temperatura subsuperficiali su scala decennale nel Pacifico tropicale, con massimi intorno ai 10°-15°N e 10°-14°S (Fig. 2c). Queste anomalie possono raggiungere la termoclina equatoriale attraverso il confine occidentale e propagarsi verso est lungo l’equatore come onde di Kelvin equatoriali, modificando le SST equatoriali. Tuttavia, l’origine della scala temporale decennale rimane poco chiara, poiché il tempo di transito delle onde di Rossby alle latitudini dei massimi delle onde di Rossby è solo di 2-3 anni. Un’ipotesi è che le latitudini dei massimi delle onde di Rossby coincidano con aree di alta coerenza zonale della forzatura del vento, che potrebbe essere più efficiente nell’eccitare onde di ampiezza maggiore su scale temporali decennali. Inoltre, queste latitudini coincidono con i confini equatoriali delle giranti subtropicali, dove i processi di instabilità possono energizzare le onde planetarie originate nelle medie latitudini orientali di entrambi gli emisferi con tempi di transito più lunghi nell’ordine decennale. Infine, i segnali equatoriali hanno una lenta propagazione verso est a causa del accoppiamento delle onde oceaniche con i venti locali. Più in generale, le scale temporali decennali non possono corrispondere al tempo di transito di un’unica onda, ma risultano dall’effetto collettivo di molteplici onde generate su bande di latitudine relativamente ampie in tempi diversi, che possono portare a una scala di tempo di aggiustamento più lunga. Esperimenti con modelli climatici accoppiati suggeriscono che una combinazione di advezione e attività di onde planetarie contribuisce alla propagazione equatoriale di anomalie di temperatura con un potenziale impatto maggiore delle anomalie provenienti dall’emisfero sud. Esperimenti di sensibilità con CGCM, in cui le anomalie di temperatura e salinità oceaniche sono state bloccate dall’arrivare all’equatore in entrambi gli emisferi, hanno indicato che il processo dell’emisfero sud agisce come un feedback negativo ritardato per la variabilità bi-decennale (12-25 anni), mentre l’adattamento delle onde oceaniche ha un’influenza dominante nell’intervallo decennale (9-12 anni). Il ruolo delle anomalie decennali dal Pacifico del Sud è stato ulteriormente illustrato dalla loro influenza sull’evoluzione degli eventi El Niño durante il primo decennio degli anni 2000, come notato in esperimenti di previsione decennale. Le anomalie fredde nel Pacifico tropicale sud-occidentale legate alla fase negativa del TPDV durante il periodo 1999-2014 potrebbero aver influenzato lo sviluppo degli eventi El Niño, portando possibilmente alla terminazione inaspettata di El Niño nel 2014.

L’ipotesi delle celle subtropicali

Le variazioni nella forza del trasporto delle celle subtropicali (STC) possono influenzare l’upwelling equatoriale e le temperature superficiali del mare (SST) equatoriali. Specificamente, un incremento del trasporto di massa verso l’equatore degli STC inducerà un upwelling equatoriale potenziato, portando acque più fredde della pycnocline più vicino alla superficie e raffreddando le SST equatoriali. Al contrario, un trasporto ridotto degli STC risulterà in SST più calde. Questa ipotesi, inizialmente illustrata nel contesto di modelli semplici, è stata anche ampiamente testata tramite osservazioni, modelli di circolazione generale oceanica e ri-analisi oceaniche. Il flusso della pycnocline, mediato zonalmente ad est dei correnti di confine occidentale (LLWBCs), è utilizzato come misura della forza degli STC. Poiché il 9°N è un punto di strozzamento per il flusso equatoriale, questa latitudine è stata scelta per stimare il trasporto interno nell’emisfero nord, e il 9°S è usato nell’emisfero sud per simmetria equatoriale. Le stime osservazionali dei trasporti interni a queste due latitudini nella seconda metà del XX secolo mostrano un declino della convergenza di massa subsuperficiale equatoriale dopo la metà degli anni settanta, coincidente con il riscaldamento del Pacifico tropicale associato allo shift climatico del 1976-77. A causa della scarsità di osservazioni subsuperficiali, i dati sono stati raggruppati su periodi pluriennali per ottenere stime del trasporto. Le ri-analisi oceaniche e i modelli oceanici, forzati da campi superficiali vincolati osservativamente, hanno permesso stime del trasporto a una risoluzione temporale più alta e hanno confermato che un aumento della convergenza di massa interna equatoriale è associato a SST equatoriali più fredde, e viceversa, con alte correlazioni sia su scale temporali interannuali che decennali. Le variazioni del trasporto interno su scale temporali interannuali includono il riempimento/scarico del contenuto di calore dell’oceano superiore equatoriale, fondamentale per l’evoluzione di ENSO. La relazione tra convergenza del trasporto e anomalie SST su scale temporali decennali suggerisce che dinamiche simili possano essere in gioco anche a frequenze inferiori. Molti modelli climatici mostrano anche correlazioni tra convergenza del trasporto e anomalie SST comparabili a quelle delle ri-analisi oceaniche, anche se alcuni modelli presentano relazioni molto più deboli. Inoltre, la variabilità del trasporto è generalmente più debole nei modelli rispetto alle osservazioni per la stessa variabilità delle SST, suggerendo una maggiore sensibilità delle SST modellate alla variabilità degli STC.

Il trasporto totale equatoriale della pycnocline include sia il trasporto interno sia quello delle correnti di confine occidentale del basso livello (LLWBCs). Le anomalie di trasporto delle LLWBCs sono di segno opposto rispetto alle anomalie di trasporto interno sia nei modelli sia nelle stime osservative, portando a una compensazione parziale della convergenza di massa interna. Il segno delle anomalie di trasporto di confine è stato collegato allo sviluppo di circolazioni giroscopiche anomale nel Pacifico tropicale occidentale, come implicato dalle anomalie di altezza superficiale del mare (SSH) per la fase negativa del TPDV (Tropical Pacific Decadal Variability), con una circolazione in senso orario (antiorario) nell’emisfero nord (sud). Data la complessità delle LLWBCs e la scarsità di osservazioni in situ in queste regioni, non è chiaro se i modelli numerici possano simulare realisticamente queste correnti e quale frazione del loro trasporto anomalo ricircola nel Pacifico occidentale, esce dal Pacifico attraverso l’Indonesian Throughflow (ITF) o agisce per alterare il bilancio di massa equatoriale.

La forza dell’ITF può anche contribuire al bilancio di massa e calore del Pacifico equatoriale, come visto nel caso dei due eventi estremi di El Niño del 1997/98 e 2015/16, la cui differenza nella scarica di calore oceanico è stata controllata da diverse forze dell’ITF. Su scale temporali interannuali, le variazioni nella forza dell’ITF sono correlate alla differenza di SSH tra il Pacifico occidentale e l’Oceano Indiano orientale, così come alla forzatura di galleggiamento. Probabilmente rispondono anche a cambiamenti lenti nei campi di SSH e salinità su larga scala, portando a scambi di calore anomali su scala decennale tra i due bacini, e suggerendo un possibile percorso oceanico per l’influenza dell’Oceano Indiano sul TPDV. La localizzazione dei venti che hanno maggiore influenza sulle variazioni decennali delle STC è fondamentale per comprendere il loro ruolo nel TPDV. I risultati seminali ottenuti con modelli oceanici semplificati suggerivano che le variazioni dei venti nelle regioni subtropicali potessero controllare il trasporto delle STC e influenzare a distanza le SST equatoriali. Tuttavia, i cambiamenti nel trasporto meridionale a ciascuna latitudine sembrano essere stabiliti da onde oceaniche di Rossby che si propagano verso ovest, come parte dell’adattamento tropicale ai venti variabili, e sono ampiamente controllati dalla forzatura del vento locale, sebbene influenze dalla fascia di latitudine 15°-20° possano anche giocare un ruolo su scale temporali decennali. L’origine possibile e la natura di questi venti sono discusse nelle sezioni seguenti.

Influenze dalla forzatura atmosferica extratropicale del Pacifico

I modi di variabilità atmosferica interna, come l’Oscillazione del Pacifico Nord (NPO) nell’emisfero nord e l’Oscillazione del Pacifico Sud (SPO) nell’emisfero sud, si estendono verso i tropici e possono influenzare il clima del Pacifico tropicale modificando i modelli dei venti superficiali. Le anomalie dei venti subtropicali/tropicali nel Pacifico centrale-orientale alterano i flussi di calore turbolenti fuori dall’equatore, risultando in anomalie delle SST che possono persistere per diversi mesi attraverso il feedback Vento-Evaporazione-SST, impattando la dinamica equatoriale. Questi modelli di SST sono conosciuti come i Modi Meridionali del Pacifico Nord e Sud (NPMM e SPMM, rispettivamente). Il NPMM si estende verso sud-ovest dalla costa della California fino al Pacifico equatoriale centrale, mentre lo SPMM mostra anomalie di SST lungo la costa sudamericana, estendendosi verso l’equatore. I processi attraverso i quali il NPMM e lo SPMM possono impattare la dinamica equatoriale sono più chiari per il NPMM. Essi includono l’eccitazione della convezione profonda estiva vicino alla ZCIT, che può risultare in anomalie dei venti equatoriali, e il riempimento/scarico di calore nella pycnocline equatoriale attraverso flussi meridionali indotti da anomalie del vortice di tensione del vento relative al NPMM, un processo noto come Ricarica del Vento Tropicale. Entrambi i processi possono influenzare lo sviluppo dell’ENSO, ma il meccanismo di Ricarica del Vento Tropicale sembra essere il giocatore dominante. Sebbene i Modi Meridionali siano ben noti come precursori dell’ENSO, essi sono coinvolti anche nello sviluppo del TPDV. Questo è stato dimostrato per la prima volta con modelli atmosferici accoppiati a modelli oceanici di tipo slab, ovvero modelli oceanici che forniscono memoria oceanica, ma mancano di dinamica oceanica. In questi modelli “Atm-Slab”, l’arrossamento dello spettro di frequenza della variabilità meteorologica e climatica su scale temporali decennali sembrava verificarsi attraverso una sequenza di influenze extratropicali-tropicali (precursori dell’ENSO allo sviluppo dell’ENSO) e feedback tropicali-extratropicali (teleconnessioni dell’ENSO) – una serie di collegamenti supportati da analisi osservative. Infatti, esperimenti con modelli indicano che le teleconnessioni dell’ENSO dal Pacifico equatoriale centrale possono rinforzare il NPMM e aumentarne la persistenza, risultando nelle variazioni decennali del NPMM rilevate in serie temporali secolari di coralli dal Pacifico subtropicale nord-orientale.

Le anomalie del TPDV (Tropical Pacific Decadal Variability) ottenute nei modelli Atm-Slab risultano più deboli e centrate più a sud rispetto a quelle ottenute in modelli climatici completamente accoppiati e nelle osservazioni, evidenziando l’effetto dei processi oceanici. Inoltre, le anomalie dei venti tropicali associate ai Modi Meridionali possono indurre un flusso della pycnocline meridionale, come illustrato dal meccanismo di Ricarica del Vento Tropicale, e potrebbero quindi fornire la forzatura atmosferica necessaria per alterare la forza delle celle subtropicali (STC) e produrre anomalie delle SST equatoriali, come precedentemente discusso. Esperimenti di sensibilità con modelli dinamici semplici indicano anche che la forzatura dei venti stocastici extratropicali può produrre cambiamenti a bassa frequenza nella termoclina equatoriale e variazioni pluriennali dell’ENSO.

Poiché la variabilità atmosferica interna raggiunge tipicamente il picco durante la stagione invernale in ciascun emisfero, essa può influenzare indipendentemente il Pacifico tropicale. Alcuni risultati dei modelli indicano un’influenza dominante dell’emisfero sud. Ad esempio, un modello accoppiato in cui i Modi Meridionali NPMM e SPMM erano selettivamente disabilitati ha mostrato che l’assenza del NPMM influenzava principalmente la variabilità dell’ENSO, mentre lo SPMM alterava significativamente il TPDV. La prescrizione dei flussi di calore tipici della forzatura dell’Oscillazione del Pacifico Sud e dell’Oscillazione del Pacifico Nord in esperimenti di sensibilità di modelli accoppiati della durata di un secolo ha indicato un’influenza maggiore dell’emisfero sud sulla dinamica oceanica equatoriale responsabile del TPDV. Inoltre, esperimenti con modelli accoppiati idealizzati in cui la variabilità oceanica era allineata ai valori climatologici nella fascia di latitudine da 30°S a 10°S hanno causato una riduzione del circa 30% della variabilità delle SST su scala decennale nel Pacifico equatoriale. L’importanza potenziale dell’influenza del Pacifico Sud è emersa anche in uno studio osservativo e di modellazione, che ha mostrato l’influenza significativa della variabilità atmosferica interna del Pacifico Sud sull’ENSO e sulla variabilità decennale del Pacifico.

D’altra parte, un modo di variabilità che collega il Pacifico Nord con il Pacifico Equatoriale Centrale tramite il NPMM (e quindi denominato modo NP-CP) su scale temporali decennali è stato recentemente identificato in osservazioni e ri-analisi oceaniche come una fonte di varianza decennale del Pacifico tropicale. Questa modalità coinvolge anomalie delle SST tipiche del NPMM e include una componente di altezza superficiale del mare (SSH) con un pattern simile a quello tipico delle differenze decennali, implicando un ruolo importante per i processi dinamici oceanici.

Pertanto, entrambi gli emisferi possono potenzialmente fornire la forzatura atmosferica per il TPDV, ma la questione di quale emisfero domini rimane irrisolta. La discrepanza tra i risultati basati su modelli e osservazioni riguardo l’influenza del Pacifico Nord sul TPDV riflette probabilmente delle carenze dei modelli nel catturare le interazioni Pacifico Nord – Tropici, un aspetto che merita ulteriori indagini.

Venti di origine tropicale Anomalie dei venti fuori-equatoriali possono anche emergere come risposta ad anomalie delle SST decennali. Simulazioni numeriche utilizzando un modello Atm-Slab hanno mostrato che le anomalie delle SST prescritte nel Pacifico equatoriale centrale, dove le anomalie decennali sono più prominenti, possono eccitare onde atmosferiche di Rossby, la cui componente subtropicale potrebbe indebolire i venti alisei subtropicali in entrambi gli emisferi. Esperimenti con modelli climatici accoppiati con anomalie delle SST equatoriali prescritte hanno prodotto risultati simili. Queste anomalie dei venti subtropicali forzate equatorialmente possono quindi essere attese per rinforzare l’anomalia equatoriale attraverso processi termo-dinamici, come la convezione profonda estiva, o cambiamenti nel trasporto di massa equatoriale indotti dai venti anomali, e creare un ciclo di feedback tra le regioni equatoriali e fuori-equatoriali che può arrossire gli spettri e contribuire al modello di anomalia delle SST più ampio meridionalmente trovato su scale temporali decennali.

Le anomalie delle SST equatoriali a bassa frequenza possono anche alterare le circolazioni di Walker e Hadley. In particolare, simulazioni di modelli accoppiati con riscaldamento idealizzato prescritto lungo l’equatore del Pacifico, imitando le condizioni del cambiamento climatico, mostrano un’intensificazione del ramo ascendente della circolazione di Hadley, e un potenziamento dei venti alisei fuori-equatoriali. L’aggiustamento oceanico a questi cambiamenti dei venti coinvolge l’accelerazione delle celle subtropicali (STC), portando a un raffreddamento del Pacifico equatoriale in un momento successivo. Cambiamenti nella forza delle celle di Hadley in risposta ad anomalie delle SST equatoriali decennali sono stati anche rilevati in altre simulazioni numeriche che indagano la natura della variabilità decennale del Pacifico. Questi esperimenti numerici, condotti con diversi framework di modellazione, hanno dimostrato che un Pacifico tropicale anomalo caldo produce un incremento del trasporto energetico atmosferico verso i poli e cambiamenti nel pompaggio di Ekman fuori-equatoriale. L’aggiustamento della circolazione oceanica risultante porta a variazioni nella forza delle STC e fornisce un feedback negativo ritardato alle anomalie originali delle SST equatoriali. Il contrario si trova per condizioni decennali fredde nel Pacifico tropicale. Questi risultati suggeriscono la possibilità di un ciclo di feedback tra le anomalie delle SST equatoriali e le variazioni dei venti fuori-equatoriali che supporterebbero la visione del TPDV come un modo di variabilità ciclica accoppiata tropicale-extratropicale. Tuttavia, la capacità di rilevare robustamente questi collegamenti nel relativamente breve record osservativo, data la presenza di un alto livello di rumore atmosferico, rimane un compito scientifico impegnativo che necessita di ulteriori esplorazioni in futuro.

Influenze da altri oceani

Oltre ai meccanismi interni al bacino del Pacifico che possono influenzare il TPDV, è ormai riconosciuto che gli oceani Indiano e Atlantico hanno il potenziale per generare variabilità nel Pacifico. La variabilità decennale delle SST negli oceani Atlantico e Indiano può generare connessioni inter-bacino tramite cambiamenti sia nelle circolazioni atmosferiche che oceaniche. Le connessioni dall’Indiano al Pacifico coinvolgono il trasporto nell’ITF (come precedentemente discusso), mentre la connessione oceanica tra l’Atlantico e il Pacifico è considerata piccola. Ci concentriamo quindi qui sulle connessioni atmosferiche.

Consideriamo un’anomalia delle SST in uno tra l’oceano Atlantico tropicale o Indiano. L’atmosfera risponde con una convezione atmosferica anomala sovrastante e riscaldamento diabatico, con una conseguente convergenza del vento zonale vicino alla superficie verso la regione convettiva e una divergenza del vento zonale in quota. Il riscaldamento diabatico genera un’onda equatoriale Kelvin che si propaga verso est, e onde di Rossby che si propagano verso ovest a nord e a sud della fonte di calore, inducendo un movimento discendente nel resto dei tropici che è tipicamente più forte dove si incontrano le onde di Kelvin e Rossby. Questa cosiddetta “risposta di tipo Gill” altera la circolazione globale di Walker su diverse scale temporali, dall’intra-stagionale al multidecennale. Queste onde planetarie agiscono per diffondere l’anomalia di temperatura troposferica generata diabaticamente in tutti i tropici, un processo comunemente riferito come “approssimazione del gradiente di temperatura debole”. I cambiamenti di temperatura risultanti lontano dalla fonte di calore originale agiscono per aumentare la stabilità verticale della troposfera e ridurre le precipitazioni, un processo noto come “meccanismo della temperatura troposferica”. Gli ultimi due meccanismi forniscono spiegazioni termodinamiche per i cambiamenti della circolazione globale di Walker. Sono stati proposti anche percorsi alternativi dall’Atlantico al Pacifico che possono verificarsi attraverso le medie latitudini lungo un percorso curvo attraverso il Pacifico settentrionale fino al Pacifico equatoriale occidentale; o attraverso i tropici a causa di cambiamenti del vento superficiale indotti dalla pressione atmosferica a livello del mare attraverso l’Istmo di Panama. Analogamente, i collegamenti tra l’oceano Indiano e il Pacifico possono verificarsi anche tramite cambiamenti dei venti attraverso il Continente Marittimo o attraverso treni di onde extratropicali stazionarie.

Esperimenti di modelli numerici idealizzati con riscaldamento superficiale prescritto nei bacini tropicali dell’Oceano Indiano o Atlantico confermano i cambiamenti della circolazione globale di Walker indotti dal tipo Gill, incluso un’accelerazione dei venti alisei del Pacifico (Fig. 5c,d), che porta a un raffreddamento della superficie del mare nel Pacifico centrale/orientale in configurazioni di modelli accoppiati, ulteriormente amplificato dal feedback di Bjerknes del Pacifico. Questi cambiamenti nel Pacifico su scale temporali decennali possono anche modulare le caratteristiche dell’ENSO. Mentre le connessioni inter-bacino dagli oceani tropicali Atlantico e Indiano si basano su meccanismi ampiamente simili, la posizione della forzatura delle SST atlantiche rispetto al Pacifico implica che le anomalie dei venti indotte dalle onde di Rossby agiscano anche per modulare i venti del Pacifico orientale. Inoltre, la risposta del movimento discendente tende ad essere localmente rinforzata nel Pacifico centrale dove si scontrano le onde di Rossby e Kelvin (Fig. 5c, d).

Il TPDV sembra aver risposto alla forzatura degli oceani Atlantico e Indiano nel periodo storico. Utilizzando esperimenti parzialmente accoppiati, dove le SST sono vincolate dalle SST osservate idealizzate in un bacino, si è dimostrato che il riscaldamento dell’Atlantico ha avuto un ruolo prominente nella transizione da TPDV+ negli anni ’90 a TPDV- nei primi anni 2000. L’oceano Indiano è stato segnalato come avente un ruolo minore o amplificando la risposta del Pacifico alla forzatura atlantica. Tuttavia, le osservazioni suggeriscono che questa recente predominanza dell’Atlantico potrebbe essere stata diversa in passato. L’ampiezza della risposta del Pacifico alla forzatura delle SST dell’oceano Indiano idealizzata sembra diventare più prominente andando indietro nel tempo, mentre la risposta alla forzatura delle SST dell’oceano Atlantico appare relativamente consistente.

Mentre sembra esserci una ragionevole comprensione di questa connettività inter-bacino, rimangono alcune domande riguardo ai meccanismi esatti e alla loro influenza sul TPDV. Queste includono: Qual è l’effetto netto del coupling inter-bacino sull’ampiezza del TPDV? Come ha e come cambierà il cambiamento climatico antropogenico queste relazioni decennali inter-bacino?

Altre fonti di incertezze derivano dalle apparenti discrepanze tra alcuni risultati dei modelli. Ad esempio, mentre si pensa che le interazioni inter-bacino amplifichino il TPDV, le simulazioni dei modelli in cui l’influenza dell’Atlantico o dell’Oceano Indiano viene rimossa suggeriscono invece che il TPDV sia intensificato in assenza di coupling con l’oceano Atlantico/Indiano. Inoltre, il collegamento tra l’Atlantico e il Pacifico diventa meno chiaro quando gli esperimenti numerici parzialmente accoppiati diventano più realistici. Queste incertezze indicano possibili limitazioni degli attuali esperimenti parzialmente accoppiati utilizzati, suggerendo la necessità di ulteriori ricerche.

Importanza relativa dei diversi meccanismi

Questa revisione ha esplorato criticamente diversi meccanismi proposti per spiegare le variazioni decennali interne nel Pacifico tropicale. Mentre è plausibile che il TPDV possa semplicemente sorgere come un residuo delle variazioni casuali dell’ENSO, i risultati della modellazione indicano che il TPDV precede la modulazione decennale dell’ENSO di alcuni anni, suggerendo che i cambiamenti decennali dell’ENSO sono probabilmente una conseguenza delle condizioni di sfondo lentamente variabili, piuttosto che causarle. Tuttavia, la relazione tra ENSO e TPDV è complessa e merita ulteriori indagini.

I risultati basati su osservazioni, ri-analisi oceaniche e modelli mostrano una forte relazione tra le variazioni nella forza delle STC su scale temporali decennali, misurate dal trasporto pycnocline equatoriale mediato zonalmente, e le anomalie delle SST equatoriali, a sostegno dell’ipotesi. Tuttavia, le correlazioni più grandi si verificano a ritardo zero, rendendo improbabile una relazione causale tra il trasporto delle STC e i cambiamenti delle SST equatoriali. Invece, questi risultati suggeriscono che le variazioni contemporanee delle STC e delle SST equatoriali sono entrambe parte dell’adattamento della pycnocline tropicale alla forzatura del vento variabile. Questo adattamento è mediato dall’attività delle onde di Rossby, la cui propagazione verso ovest altera la pendenza zonale della pycnocline e produce anomalie di trasporto meridionale.

L’attività delle onde di Rossby altera la profondità della pycnocline e si manifesta come anomalie di temperatura che si propagano su isopicnali medie senza un’anomalia di salinità compensata, racchiudendo così il sottoinsieme non compensato dell’ipotesi. Oltre ai loro tempi di transito, queste onde possono anche contribuire alle scale temporali decennali attraverso la loro interazione con la forzatura.

La propagazione di anomalie di temperatura compensate dalla salinità (“anomalie di speziatura“), un altro componente dell’ipotesi, è ben supportata dai modelli climatici e solo oceanici, ma le limitate prove osservative disponibili sollevano domande su se queste anomalie raggiungano effettivamente la regione equatoriale. Inoltre, un’analisi del modello solo oceanico suggerisce che l’influenza delle anomalie di speziatura sul bilancio termico della termoclina equatoriale possa essere piccola.

L’origine della forzatura atmosferica che guida i meccanismi oceanici su scale temporali decennali rimane poco chiara. Abbiamo considerato tre principali gruppi di processi atmosferici rilevanti per il TPDV: la risposta atmosferica alle anomalie delle SST decennali nel Pacifico equatoriale; la variabilità atmosferica interna nel Pacifico extratropicale; e le influenze atmosferiche dagli oceani Atlantico e Indiano. Le evidenze attuali suggeriscono che tutti questi processi possano essere potenzialmente importanti. Sono necessarie ulteriori ricerche per valutare più precisamente il loro ruolo relativo nel TPDV.

Riassunto e prospettive future

Le variazioni decennali del Pacifico tropicale, con periodi tra i 7 e i 70 anni, sono collegate a coerenti anomalie della temperatura della superficie del mare e della pressione atmosferica a livello del mare su scala bacino, e hanno impatti globali. Nonostante un record storico più limitato dei dati subsuperficiali, è chiaro che le manifestazioni superficiali del TPDV sono associate a una riorganizzazione del contenuto di calore dell’oceano superiore del Pacifico tropicale, soprattutto nella direzione zonale, suggerendo il coinvolgimento di processi dinamici oceanici. La nostra revisione ha evidenziato meccanismi del TPDV di cui siamo più certi, mentre ha indicato aspetti meno certi e che necessitano di ulteriori ricerche. In particolare, la relazione tra la variabilità delle STC e i cambiamenti delle SST equatoriali, sottostante al meccanismo emergente, si presenta come una caratteristica robusta del TPDV attraverso diversi set di dati. La natura contemporanea di questa relazione non supporta un’influenza causale dei cambiamenti del trasporto sulle variazioni delle SST, ma evidenzia invece l’importanza dei processi di adeguamento oceanico per modificare entrambe le quantità. Questa relazione vale sia per le scale temporali interannuali associate all’ENSO sia per le scale temporali decennali su cui ci siamo concentrati, suggerendo che processi simili operano su entrambe le scale temporali.

Nonostante queste somiglianze con l’ENSO, rimangono domande sulla natura del TPDV. Mentre l’ENSO è un fenomeno accoppiato oceano-atmosfera, il cui sviluppo e le transizioni di fase si basano su feedback accoppiati, non è chiaro se questo sia vero anche per il TPDV. Sebbene ci siano indicazioni che il riscaldamento equatoriale a bassa frequenza, o eventi individuali dell’ENSO, possano indurre venti fuori-equatoriali favorevoli a un’inversione di fase del TPDV, c’è ancora incertezza sull’origine e la natura dei venti coinvolti. Anomalie del vento generate internamente nelle regioni subtropicali/tropicali possono creare anomalie delle SST equatoriali, che possono poi rinforzare le anomalie dei venti subtropicali attraverso teleconnessioni atmosferiche, aumentando la loro persistenza per potenziare la variabilità a frequenza più bassa. Anomalie delle SST decennali negli oceani Atlantico e Indiano possono anche indurre anomalie dei venti nel Pacifico tropicale favorevoli allo sviluppo di anomalie delle SST di segno opposto. Tuttavia, la misura in cui la forzatura del vento dagli extra-tropici o da altri bacini oceanici possa essere essa stessa il risultato della forzatura dal Pacifico tropicale non è chiaramente compresa. Inoltre, non è nota la magnitudine relativa di queste varie fonti di variabilità del vento nella forzatura del TPDV. Un’ulteriore incertezza è legata al fatto che le variazioni del vento derivino da processi deterministici operanti su scale temporali decennali, o se i processi decennali che osserviamo nel Pacifico siano semplicemente il risultato di una forzatura di rumore bianco stocastico che l’oceano integra attraverso la sua inerzia per produrre una risposta spettrale di rumore rosso. Una piena comprensione del TPDV richiede che risolviamo queste incertezze in sospeso attraverso ulteriori ricerche.

Esperimenti di sensibilità con modelli accoppiati adeguatamente progettati, dove le SST sono prescritte in certe regioni, potrebbero essere utilizzati per isolare il contributo delle diverse fonti regionali di anomalie dei venti. Poiché questi esperimenti possono essere influenzati da bias dei modelli e sono delicati da condurre, dovrebbero essere completati da analisi di modelli empirici multivariati, i quali sono addestrati su osservazioni e permettono una separazione più chiara dei feedback tra diverse variabili e regioni. Inoltre, modelli oceanici semplici che catturano la dinamica delle onde di Rossby possono aiutare a valutare il ruolo di diversi aspetti dei venti, inclusi la posizione e le caratteristiche spettrali, nella riproduzione delle caratteristiche chiave del TPDV.

Sebbene le anomalie di speziatura non sembrino influenzare significativamente il TPDV, le attuali evidenze si basano su un numero limitato di analisi che utilizzano poco più di due decadi di osservazioni disponibili dagli Argo floats, e condotte principalmente con modelli solo oceanici. Tuttavia, la prevista concentrazione di varianza su scale temporali decennali delle anomalie di speziatura che arrivano all’equatore, e il conseguente riassetto del clima tropicale, suggeriscono che le anomalie di speziatura potrebbero ancora essere un importante motore del TPDV in un contesto accoppiato. Pertanto, il ruolo della speziatura dovrebbe essere ulteriormente indagato nel contesto dei modelli accoppiati. La disponibilità di lunghe serie temporali da simulazioni di modelli con parametrizzazioni del mescolamento realistico, ottenute tramite una risoluzione spaziale più alta o un miglioramento della progettazione del modello, sarebbe critica per valutare più affidabilmente l’impatto della speziatura sul TPDV.

Questa revisione si è concentrata sui processi oceanici e atmosferici che governano il TPDV che sorge naturalmente all’interno del sistema climatico. Non abbiamo affrontato la questione di come il TPDV possa cambiare in risposta a forzature esterne. Tuttavia, possiamo aspettarci cambiamenti nelle caratteristiche del TPDV come risultato della forzatura antropogenica. L’aumento delle temperature superficiali porterà a una maggiore stratificazione oceanica, portando a una propagazione delle onde di Rossby più rapida, tempi di aggiustamento più brevi e una ridotta crescita e prevedibilità della variabilità decennale del Pacifico, che potrebbero portare a un TPDV più debole e su scale temporali più brevi in futuro. L’attesa riduzione dell’influenza della variabilità atlantica sull’ENSO, a causa dell’aumentata stabilità troposferica, potrebbe anche ridurre l’influenza della variabilità decennale atlantica sul TPDV. D’altra parte, si prevede che il feedback tra il Vento, l’Evaporazione e le SST aumenterà a causa del riscaldamento delle temperature superficiali del mare e di una maggiore risposta evaporativa, che può portare a un impatto potenziato del NPMM sull’ENSO e, possibilmente, sul TPDV. Questi e altri possibili processi, e le loro interazioni, devono essere valutati nei modelli climatici per determinare come il TPDV possa cambiare in un mondo più caldo.

Box 1. Circolazioni medie oceaniche e atmosferiche nel Pacifico tropicale

L’oceano Pacifico equatoriale è spesso descritto come un sistema con uno strato superiore più caldo e dinamicamente attivo, e uno strato inferiore più freddo e più quiescente (ombreggiatura lungo l’equatore, figura, in basso). Questi due strati sono separati da una regione di netti gradienti di densità verticale (temperatura), conosciuta come pycnocline (termoclina), e sono sovrastati da uno strato di attrito superficiale – lo strato di Ekman.

La pycnocline collega le regioni subtropicali all’equatore: le acque subtropicali possono penetrare nell’interno oceanico alle latitudini dove le superfici di densità costante (isopicnali) incontrano lo strato superficiale, e poi fluiscono verso l’equatore lungo queste isopicnali (linee tratteggiate nere nel pannello inferiore della figura, Fig. 3 per una prospettiva tridimensionale). All’equatore, queste acque sono portate agli strati superiori dalla velocità verticale ascendente (un processo noto come risalita), e ritornano alle latitudini superiori tramite il flusso nello strato di Ekman superficiale (frecce nere solide nel pannello inferiore della figura), creando circolazioni di rigiramento poco profonde in entrambi gli emisferi denominate Celle Subtropicali (STCs). Le calde SST tropicali alimentano le celle di Hadley atmosferiche (vedi figura, in alto), con aria che sale vicino all’equatore, fluisce verso i poli nella troposfera a 10-15 km sopra la superficie, e discende nei subtropici, con un flusso di ritorno equatoriale vicino alla superficie che è deviato verso ovest a causa della rotazione terrestre, creando i venti alisei orientali.

La circolazione oceanica del Pacifico tropicale mostra anche un ricco sistema di correnti zonali (vedi figura, in alto), con correnti che fluiscono sia verso ovest che verso est, tra le quali la più notevole è la Corrente Equatoriale Sottomarina (EUC), un forte getto che fluisce verso est centrato sull’equatore con un nucleo nella pycnocline (vedi figura, in basso). La pendenza zonale della pycnocline – più profonda a ovest e più bassa a est – è in equilibrio con i venti alisei equatoriali orientali e fornisce i gradienti di pressione che guidano l’EUC. I venti alisei sono il ramo superficiale della circolazione atmosferica zonale di Walker, composta da un ramo ascendente sulle acque calde del “Warm Pool” equatoriale occidentale del Pacifico e un ramo discendente nel “Cold Tongue” equatoriale orientale più freddo e secco (vedi figura, in alto).

La circolazione zonale interna guidata dal vento è connessa nel Pacifico occidentale ai Correnti di Confine Occidentali a Bassa Latitudine (LLWBCs), che sono un importante condotto per la redistribuzione dell’acqua subtropicale al Pacifico equatoriale occidentale e poi nel sistema di correnti tropicali, incluso l’EUC e il Flusso Attraverso l’Indonesia (ITF).

Glossario

• LLWBC: Corrente di Confine Occidentale a Bassa Latitudine
• NEC: Corrente Equatoriale Nord
• NECC: Controcorrente Equatoriale Nord
• EUC: Corrente Equatoriale Sottomarina
• SEC: Corrente Equatoriale Sud
• SECC: Controcorrente Equatoriale Sud
• EAC: Corrente dell’Australia Orientale
• ITF: Flusso Attraverso l’Indonesia
• LC: Corrente di Leeuwin
• KC: Corrente del Kuroshio

Box 2. Intuizioni dal paleoclima La brevità del record strumentale limita le analisi del TPDV con osservazioni strumentali. I proxy paleoclimatici, in particolare i coralli tropicali e le sclerosponge, offrono opportunità per tracciare le variazioni a bassa frequenza degli oceani tropicali nel corso dei secoli. Durante le più recenti transizioni di fase del TPDV, i coralli hanno registrato cambiamenti associati in campi dinamicamente rilevanti, inclusi la temperatura della superficie del mare, la salinità, le raffiche di vento occidentali e l’upwelling. I record dei proxy hanno fornito prove di interazioni tra diversi bacini oceanici sia su scale temporali interannuali sia decennali. I record dei proxy dall’Est del Pacifico Tropicale del Nord, dove le anomalie delle SST possono riflettere l’attività del NPMM, illustrano alti livelli di variabilità decennale coerenti con i record del Pacifico Equatoriale Centrale, supportando il coinvolgimento potenziale del NPMM nel TPDV.

Inoltre, le analisi paleoclimatiche offrono una prospettiva sulla gamma di TPDV trovata nel corso dei secoli e dei millenni, che può essere utilizzata per valutare le simulazioni dei modelli del TPDV. Il Box Figure confronta il TPDV attraverso cinque diversi prodotti strumentali, due generazioni di modelli climatici (CMIP5, CMIP6; esperimenti storici e Past1000) e tre diverse fonti di dati paleo utilizzando grafi a violino. Il TPDV è descritto in termini della deviazione standard delle variazioni decennali (7-70 anni) dell’indice Niño3.4 (anomalie medie annuali della temperatura della superficie del mare nella regione da 5°S a 5°N, da 170°W a 120°W). I grafici a violino per ciascun set di dati si basano sulle deviazioni standard decennali di finestre scorrevoli di 100 anni che permettono 50 anni di sovrapposizione tra i segmenti. I punti individuali rappresentano la deviazione standard decennale di ciascun segmento unico di 100 anni. La mediana e l’intervallo interquartile di questi valori sono indicati dai punti bianchi e dalle linee verticali, rispettivamente, mentre la larghezza del grafico a violino per ciascuna deviazione standard indica la corrispondente frequenza di occorrenza. Notabilmente, il record strumentale non copre l’intera gamma di variabilità decennale suggerita sia dalle ricostruzioni dei proxy paleoclimatici sia dai modelli climatici, sebbene la deviazione standard mediana sia molto simile tra i prodotti.

Figura 1: Cambiamenti Decennali Osservati nel Pacifico

a) Differenza delle anomalie della Temperatura della Superficie del Mare (SST): Questo pannello mostra la differenza delle anomalie SST detrendizzate tra il Periodo 2 (1999-2014) e il Periodo 1 (1984-1999). Le aree colorate indicano le variazioni di temperatura, mentre i contorni rappresentano la fase negativa del pattern TPDV (Variazione Decennale del Pacifico Tropicale) sull’intero bacino, ottenuto tramite regressione delle anomalie decennali delle SST sull’indice TPDV, che è la componente principale delle anomalie delle SST decennali tra 25°S e 25°N.

b) Differenze di Pressione Atmosferica al Livello del Mare (SLP) e anomalie dei venti: Le ombreggiature indicano le differenze di SLP detrendizzate e le frecce rappresentano le anomalie vettoriali del vento, evidenziando cambiamenti atmosferici significativi tra i due periodi analizzati.

c) Differenze delle anomalie dell’Altezza della Superficie del Mare (SSH) detrendizzate: Le aree colorate mostrano le variazioni di SSH detrendizzate, con i contorni che indicano la firma tropicale del TPDV sulla SSH, calcolata come la regressione delle anomalie decennali di SSH sull’indice TPDV.

d) Differenze delle anomalie di SSH non detrendizzate: Analogamente al pannello c, ma utilizzando dati di SSH non detrendizzati, permettendo di osservare l’effetto delle variazioni non regolate nel tempo.

e) Differenze delle anomalie di temperatura detrendizzate, visualizzate in funzione della latitudine e della profondità e mediate zonalmente tra il confine occidentale dell’oceano e il meridiano di data. I contorni indicano le isoterme medie di 15°, 20°, e 25°, sottolineando le modifiche dello strato della termoclina.

f) Analogamente al pannello e, ma per i valori di temperatura mediati dalla linea di data al confine orientale dell’oceano. Questo pannello esplora le variazioni termiche dall’altra parte del Pacifico, permettendo confronti diretti delle dinamiche termiche tra est e ovest.

Questi pannelli illustrano complessivamente come il TPDV sia associato a significative anomalie di SST, SLP, e venti a scala di bacino, e come implichi una riorganizzazione del contenuto di calore nei tropici, influenzando vari aspetti climatici e oceanografici della regione.

La Figura 2 illustra la relazione tra la Variazione Decennale del Pacifico Tropicale (TPDV) e l’El Niño Southern Oscillation (ENSO), utilizzando diverse rappresentazioni di dati oceanografici e climatici:

a) Evoluzione delle anomalie della Temperatura della Superficie del Mare (SST): Questa sezione mostra le anomalie SST nella fascia equatoriale (5°S-5°N), visualizzate in funzione della longitudine (asse x) e del tempo (asse y), con il tempo che aumenta verso l’alto. Le anomalie sono indicate con colori dove il rosso rappresenta temperature più calde del normale e il blu temperature più fredde.

b) Evoluzione delle anomalie dell’Altezza della Superficie del Mare (SSH) nel Pacifico Ovest: Il pannello presenta le anomalie SSH, un proxy per il contenuto di calore dell’oceano superiore, mediate a ovest del meridiano di data. Queste sono mostrate come funzione della latitudine e del tempo e indicano variazioni nel contenuto termico.

c) Evoluzione delle anomalie SSH nel Pacifico Est: Simile al pannello b, ma concentrandosi sulle anomalie SSH mediate a est del meridiano di data, esplorando le differenze tra l’est e l’ovest del Pacifico equatoriale.

d) Evoluzione temporale dell’indice TPDV: Visualizza l’indice TPDV, calcolato come la componente principale principale delle anomalie SST decennali (7-70 anni) nella fascia tropicale (25°S-25°N). L’indice mostra fasi positive e negative del TPDV, con le fasi positive correlate a maggiore attività di El Niño e prevalenza di anomalie negative del contenuto di calore nel Pacifico tropicale occidentale, e il contrario per le fasi negative.

Queste visualizzazioni forniscono una comprensione dettagliata delle interazioni tra temperatura superficiale del mare, altezza della superficie del mare e i cicli decennali legati al TPDV e ENSO, evidenziando come i fenomeni a scala decennale possano modulare eventi climatici annuali come El Niño e La Niña.

La Figura 3 illustra l’influenza delle Celle Subtropicali (STCs) sulla Variazione Decennale del Pacifico Tropicale (TPDV) attraverso due meccanismi ipotizzati, visualizzati in due pannelli distinti:

a) Meccanismo Y′T

Il pannello (a) mostra una rappresentazione schematica dell’advezione delle anomalie di speziatura (ombrellate in rosa) nella circolazione media sull’isopicnale di 25.0 kg/m³. L’ombreggiatura indica la profondità isopicnale. Una “barriera di vorticità potenziale” è indicata dalla linea tratteggiata grigia nella fascia di latitudine 5°-10°N. Il flusso di speziatura verso l’equatore lungo queste superfici isopicnali è anche evidenziato nel pannello inferiore, che mostra le profondità isopicnali medie zonalmente (da 23 kg/m³ a 25.5 kg/m³, con un intervallo di 0.5 kg/m³) nel piano latitudine-profondità.

b) Meccanismo V′T

Il pannello (b) fornisce una rappresentazione schematica del meccanismo V′T, dove sono presentati i flussi medi (frecce nere) e anomali (frecce rosse) sull’isopicnale di 25.0 kg/m³, situato nel mezzo della pycnocline superiore. Il flusso lungo queste superfici isopicnali connette le regioni subtropicali a quelle tropicali, come evidenziato dai contorni della profondità isopicnale media zonalmente (da 23 kg/m³ a 25.5 kg/m³, con un intervallo di 0.5 kg/m³) nel piano latitudine-profondità del pannello inferiore.

Entrambi i meccanismi, Y′T e V′T, sono proposti come potenziali contributori al TPDV. Questi schemi aiutano a visualizzare come le anomalie trasportate attraverso queste correnti possano influenzare le condizioni oceaniche a scale temporali decennali, suggerendo un collegamento tra le variazioni dinamiche nelle regioni subtropicali e tropicali e la variabilità climatica osservata a livello di bacino nel Pacifico.

La Figura 4 esplora l’ipotesi legata ai trasporti meridionali pycnoclinici interni e la loro correlazione con le anomalie della Temperatura della Superficie del Mare (SST) nell’equatoriale Pacifico. Di seguito è riportata una descrizione dettagliata di ciascun pannello:

a) Stime osservative dei trasporti meridionali interni della pycnocline

Questo pannello mostra le stime del trasporto meridionale medio, misurato in Sverdrup (dove 1 Sverdrup equivale a un milione di metri cubi al secondo), a 9°N e 9°S per diversi periodi dal 1956 al 1999. Le barre di errore indicano l’errore standard di deviazione.

b) Convergenza del trasporto meridionale

Presenta la convergenza media del trasporto meridionale attraverso 9°N e 9°S, calcolata come la differenza tra i trasporti dell’emisfero sud e quelli dell’emisfero nord, correlata con le anomalie SST medie nel Pacifico equatoriale centrale e orientale.

c) Anomalie della convergenza del trasporto meridionale

Illustra le anomalie della convergenza del trasporto meridionale tra 9.5°N e 9.5°S nel Pacifico, basate sui dati della ri-analisi oceanica GODAS durante il periodo 1980-2021. Le anomalie di convergenza sono confrontate con le anomalie SST medie nella stessa area. La correlazione a zero lag tra le serie temporali è di -0.82.

d) Anomalie filtrate passa-basso di 7 anni

Simile al pannello c, ma focalizzato sulle anomalie filtrate su base settennale. La correlazione a zero lag è aumentata a -0.90. I numeri indicano i valori medi delle anomalie decennali del trasporto e delle anomalie SST durante i periodi definiti dalle linee verticali tratteggiate.

e) Correlazioni tra la convergenza del trasporto a 9°N e 9°S e le anomalie SST equatoriali

Mostra le correlazioni tra la convergenza del trasporto e le anomalie SST equatoriali in diverse ri-analisi oceaniche e dodici simulazioni storiche CMIP6, con l’intervallo di confidenza al 95% per ciascun modello.

f) Deviazione standard delle anomalie SST equatoriali vs. deviazione standard della convergenza del trasporto

Confronta le deviazioni standard delle anomalie SST equatoriali con quelle della convergenza del trasporto a 9°N e 9°S per le ri-analisi oceaniche e le simulazioni storiche CMIP6.

La Figura 4 offre un’analisi complessa delle interazioni tra i trasporti meridionali interni della pycnocline e le anomalie SST nel Pacifico equatoriale, evidenziando come queste dinamiche possano influenzare le variazioni climatiche osservate.

La Figura 5 esplora il ruolo dei processi atmosferici coinvolti nella Variazione Decennale del Pacifico Tropicale (TPDV) e analizza la risposta atmosferica tropicale a variazioni interdecadali delle temperature superficiali dell’oceano (SST) in diverse regioni. Ecco una descrizione dettagliata di ciascun pannello:

a) Modalità Meridionale del Pacifico Settentrionale (NPMM)

• Mostra le anomalie della Temperatura della Superficie del Mare (SST, colorazione) e anomalie della pressione a livello del mare (SLP, contorni) tipiche della NPMM.
• Le anomalie di SLP sono associate a cambiamenti nei venti alisei off-equatoriali, che generano anomalie SST attraverso il feedback vento-evaporazione-SST.

b) Modalità Meridionale del Pacifico Meridionale (SPMM)

• Simile al pannello (a), ma focalizzato sulla SPMM.
• Questi indici sono calcolati rimuovendo linearmente l’influenza dell’indice Niño 3.4 sulle anomalie di vento e SST, identificando gli indici NPMM e SPMM come le prime serie temporali di espansione SST di un’analisi di covarianza massima SST-vento.

c) Risposta atmosferica tropicale alle differenze SST interdecadali nell’Oceano Indiano

• Confronta i periodi 1999-2008 rispetto al 1988-1998.
• Il pannello inferiore mostra le anomalie SST forzanti (colorazione), mentre le anomalie di precipitazione modellate sono mostrate come contorni (verde=positivo; viola=negativo), e i vettori di vento rappresentano i venti zonali e meridionali di superficie.
• I pannelli centrali presentano sezioni equatoriali di temperatura (colorazione) e vettori di vento zonali e verticali (frecce), mediati nella fascia di latitudine (10°S-10°N). I venti verticali sono amplificati per assicurare la comparabilità di scala con il vento zonale.
• Il pannello superiore mostra l’altezza geopotenziale a 200hPa (colorazione) con vettori di vento che rappresentano i venti zonali e meridionali a 200hPa.

d) Risposta atmosferica tropicale alle differenze SST interdecadali nell’Oceano Atlantico

• Confronta i periodi 1999-2014 rispetto al 1982-1998.
• Strutturato in modo simile al pannello (c), questo pannello enfatizza le risposte atmosferiche e oceaniche alle variazioni delle SST atlantiche.

I dati presentati nei pannelli (c) e (d) provengono da simulazioni di modelli di circolazione generale dell’atmosfera (AGCM), offrendo una visione complessa di come le anomalie di temperatura negli oceani Indiano e Atlantico influenzino la dinamica atmosferica a livello tropicale e impattino il sistema climatico globale.

Ringraziamenti

Questo articolo è il risultato del lavoro del gruppo di lavoro “Tropical Pacific Decadal Variability” del CLIVAR Pacific Region Panel. Gli autori desiderano ringraziare CLIVAR per il loro sostegno, e la Sig.ra Jing Li dell’Ufficio Programmi CLIVAR per il suo aiuto. L’articolo è stato finalizzato durante un workshop tenuto presso la Monash University, Australia, con il sostegno del workshop da parte della Facoltà di Scienze e della Scuola di Terra, Atmosfera e Ambiente della Monash University, oltre che da CLIVAR e US CLIVAR. Un ringraziamento speciale va a Natalie Renier del team grafico dell’Istituto Oceanografico di Woods Hole per il suo aiuto nella preparazione della Figura 1. A.C. è stato supportato dal Climate Program Office della NOAA, dai programmi Climate Variability and Predictability (CVP) e Modeling, Analysis, Predictions, and Projections (MAPP) e dal premio DOE #DE-SC0023228. S.M. è stato supportato dall’Australian Research Council e dal Programma Nazionale di Scienza Ambientale del governo australiano (NESP2). M.F.S. è stato supportato da un grant della NSF e dal grant del Climate Program Office della NOAA. Altri autori sono stati supportati da varie istituzioni e fondi, evidenziando l’ampio supporto e la collaborazione internazionale in questo progetto di ricerca. Questa è una pubblicazione IPRC e un contributo SOEST.

https://repository.library.noaa.gov/view/noaa/56434/noaa_56434_DS1.pdf