https://journals.ametsoc.org/view/journals/mwre/135/2/mwr3293.1.xml

Riassunto

Questo lavoro propone un modello sinottico-dinamico globale (GSDM) della variabilità atmosferica su base sub-stagionale. L’obiettivo è quello di offrire una struttura di riferimento per il monitoraggio in tempo reale delle dinamiche clima-meteo e per supportare la creazione di previsioni meteorologiche a medio termine, come quelle per le settimane dalla prima alla terza. Il modello si concentra specificatamente sull’America del Nord durante il periodo invernale dell’emisfero nord.

Attraverso un caso di studio, vengono esplorate le scale temporali gestite dal GSDM, evidenziando due specifiche transizioni nella circolazione atmosferica. Queste transizioni sono associate a segnali di energia ondulatoria in movimento verso est e alla loro interazione con forze remote di origine tropicale. L’impiego del momento angolare atmosferico globale e zonale (AAM) riveste un ruolo chiave nel definire l’evoluzione sinottica dei vari componenti del GSDM, consentendo di collegare le variazioni sinottiche regionali a processi fisici significativi, quali il momento di torsione dovuto alle montagne globali e l’attrito.

Il nucleo del GSDM si articola in quattro fasi principali, delineate sulla base dei periodi di ricorrenza dell’oscillazione di Madden-Julian (MJO). Il modello integra inoltre comportamenti extratropicali, quali pattern di teleconnessione, cicli di vita baroclinici e oscillazioni su base mensile. Questi elementi, combinati con il carattere quasi-oscillatorio dell’MJO (con periodi che variano dai 30 ai 70 giorni), consentono di stabilire relazioni lineari su più scale temporali e spaziali.

Una peculiarità distintiva del GSDM è l’attenzione posta sulle transizioni di circolazione sia a livello globale che regionale, e sulla correlazione di tali dinamiche con eventi meteorologici estremi in periodi caratterizzati da significative variazioni del momento angolare atmosferico globale.

Introduzione

Contesto

La modellazione sinottica, che analizza i fenomeni atmosferici e i processi dinamici o fisici, ha da sempre rivestito un ruolo fondamentale nella comunicazione dei risultati della ricerca diagnostica e nello sviluppo dell’arte e della scienza della previsione meteorologica. Tra gli argomenti più noti di questa disciplina vi è il ciclone extratropicale, con il suo ciclo di vita che alterna fasi barocliniche a fasi barotropiche. Questo tema è stato oggetto di studio attraverso l’uso di modelli numerici e dataset osservativi per oltre settanta anni, con contributi significativi da parte di scienziati del calibro di Bjerknes nel 1919 e Rossby nel 1941, fino agli studi di Shapiro e Gronas nel 1999. Le onde barocliniche, con il loro comportamento coerente e facilmente identificabile, rappresentano il pilastro centrale dei modelli di previsione a breve termine, i quali dimostrano un’eccellente capacità di previsione nell’arco di 1-3 giorni, almeno in media.

Nonostante ciò, per la variabilità sub-stagionale, che si estende dai 3 ai 90 giorni, e per le previsioni a medio termine, non esiste ancora un modello sinottico di riferimento. L’adattamento del modello del ciclo di vita baroclinico per soddisfare le esigenze delle previsioni a medio termine richiederebbe significative integrazioni. La dimensione regionale, che si adatta bene alle previsioni a breve termine, si rivela insufficiente per le esigenze del medio termine. Infatti, i pacchetti d’onda e altre forme di energia atmosferica organizzata sono in grado di trasmettere segnali attraverso le interazioni tropicali-extratropicali su scala emisferica in soli 10 giorni. Le scale di movimento considerate si allargano, includendo i numeri d’onda zonali da 0 a 3. Sul piano temporale, il modello dovrebbe abbracciare molteplici scale temporali e le loro interazioni spazio-temporali.

Un elemento chiave in questo contesto è rappresentato dall’oscillazione quasi-oscillatoria di Madden-Julian (MJO), che, analogamente a come l’El Niño-Southern Oscillation (ENSO) struttura la variabilità su scala interannuale, potrebbe fornire un’ossatura per un modello sinottico globale sub-stagionale. Tuttavia, l’MJO da solo non è sufficiente; è necessario includere anche fenomeni extratropicali per completare il quadro.

Nell’ambito dello studio dei modelli sinottico-dinamici della variabilità atmosferica sub-stagionale, è importante riconoscere che, storicamente, alcune variazioni extratropicali hanno dominato il campo della meteorologia. Tra queste, le onde barocliniche, i fenomeni di “blocco” e i cicli dell’indice zonale rappresentano i pilastri fondamentali, coinvolgendo variazioni emisferiche tra flussi zonali bloccati e intensamente zonali. Negli anni più recenti, i modelli di teleconnessione hanno guadagnato riconoscimento come modi generali di variabilità della circolazione, con il blocco atmosferico che emerge come un caso speciale all’interno di questa categoria.

Un’ulteriore evoluzione nella comprensione di queste dinamiche è stata la riscoperta delle modalità di variabilità zonale media, o “annulare”, particolarmente evidente negli studi basati su pressione superficiale o altezza. L’analisi del comportamento evolutivo delle anomalie zonali medie ha rivelato episodi di propagazione coerente che si estendono dalle regioni equatoriali fino alle latitudini polari estreme. In questo contesto, l’emisfero meridionale offre esempi intriganti di come la componente d’onda quasi-stazionaria dell’MJO e le dinamiche a medie latitudini, guidate dalle onde barocliniche, contribuiscano a tali fenomeni.

Nonostante l’importanza delle differenze spaziali, questi fenomeni condividono caratteristiche comuni, come scale temporali di decadimento di 5-10 giorni e un’ampia estensione zonale. La ricerca ha tentato di interpretare tali fenomeni a bassa frequenza attraverso l’ottica di equilibri multipli o di modi normali. Tuttavia, le evidenze attuali suggeriscono che il forzamento esterno giochi un ruolo chiave nel modellare il loro comportamento nel tempo, con contributi significativi provenienti dall’MJO, dalla configurazione orografica, dalle traiettorie delle tempeste e dalle variazioni della temperatura superficiale del mare.

Nel delineare il modello sinottico-dinamico globale (GSDM), un’attenzione particolare viene rivolta a un disturbo su larga scala che emerge nel settore Pacifico-Nord Americano. Questo fenomeno si sviluppa in risposta al flusso perturbato orograficamente dalle montagne dell’Asia orientale e del Nord America occidentale, un processo che viene identificato come il “ciclo dell’indice F-M”. Questa analisi si integra perfettamente con le precedenti discussioni sulla variabilità atmosferica, offrendo un quadro più completo delle dinamiche che caratterizzano la circolazione atmosferica su scala globale, con un’attenzione particolare ai processi che modulano la variabilità sub-stagionale.

Nel delineare ulteriormente il Modello Sinottico-Dinamico Globale (GSDM) della variabilità atmosferica sub-stagionale, è essenziale evidenziare come, a livello regionale, si includano modelli di teleconnessione quali il pattern Pacifico-Nord Americano (PNA). Studi come quelli di Weickmann hanno esplorato in dettaglio la sua evoluzione sinottica, suggerendo che tali pattern rappresentino il meccanismo dominante per lo scambio di momento angolare atmosferico (AAM) e il decadimento delle anomalie nelle scale temporali sub-stagionali intermedie.

L’approfondimento del ciclo di vita baroclinico rapido, attraverso vari contesti di flusso e tagli meridionali, ha messo in luce la crescita di perturbazioni, la propagazione di fase, la dispersione di energia e i processi di rottura come elementi salienti sia della teoria che delle osservazioni atmosferiche reali. In particolare, la rottura delle onde barocliniche regionali emerge come un fenomeno chiave per lo scambio rapido di momento meridionale, influenzando significativamente il vento zonale medio.

Recentemente, si è stabilito un legame tra il residuo delle onde in rottura e l’avvio di modelli di teleconnessione come l’Oscillazione Nord Atlantica (NAO), segnando così l’importanza di questi eventi nella formazione di pattern atmosferici a grande scala. In questo contesto, il GSDM pone particolare attenzione alla dispersione dell’energia delle onde che si verifica durante gli sviluppi baroclinici e la loro interazione con le maggiori catene montuose.

Focalizzandoci specificamente sulla dispersione dell’energia delle onde su scala sinottica nei corridoi d’onda settentrionali e subtropicali, sopra l’Asia e l’Oceano Pacifico, questa dinamica rappresenta la scala temporale veloce del modello. Questo processo è intrinsecamente legato a oscillazioni della circolazione di durata compresa tra 10 e 30 giorni, rilevate attraverso l’atmosfera. Fenomeni come la retrogressione delle onde alle alte latitudini settentrionali, i momenti di torsione montani in Asia e Nord America, nonché le onde di Rossby e Kelvin equatoriali accoppiate convettivamente, evidenziano comportamenti coerenti su questa scala temporale.

Questo componente del GSDM ha mostrato di poter mantenere un’energia significativa per periodi estesi, come evidenziato durante la stagione delle piogge del 1996-97 in California centrale. L’oscillazione di circa 25 giorni, focalizzata sulle variazioni del flusso subtropicale, si presenta come un probabile candidato per descrivere i comportamenti osservati. L’inclusione esplicita di questa scala temporale intermedia nel processo di previsione per le settimane 1-3 riflette l’importanza di integrare comprensioni dettagliate delle dinamiche atmosferiche in modelli predittivi efficaci, fornendo così un quadro completo che abbraccia sia le scale temporali veloci che quelle intermedie nel contesto della variabilità atmosferica sub-stagionale.

Il Modello Sinottico-Dinamico Globale (GSDM) sistematizza una serie di fenomeni sub-stagionali in una sequenza prevedibile e ripetibile, fondando la relazione tra le diverse scale temporali sulla massimizzazione delle anomalie del Momento Angolare Atmosferico (AAM) sia a livello globale che zonale. Il modello identifica quattro fasi primarie, sebbene la durata del ciclo e l’intervallo temporale tra una fase e l’altra siano variabili. Questo approccio rimane valido tanto nei contesti di forzamento persistente dovuti alle anomalie della temperatura superficiale del mare, quanto durante le variazioni temporali indotte dall’MJO. Interessante notare come due delle fasi del GSDM riflettano comportamenti tipici anche degli eventi di El Niño e La Niña, suggerendo un parallelo con l’utilizzo di composizioni di ENSO o MJO per il monitoraggio in tempo reale e le previsioni a medio e breve termine. Tuttavia, l’obiettivo del GSDM è di spiegare e includere una porzione maggiore di varianza atmosferica, utilizzando un approccio che integra molteplici scale temporali.

Il sostegno dinamico a questo modello è fornito dal Momento Angolare Atmosferico, determinato dalla distribuzione tridimensionale del vento zonale e della massa atmosferica. L’integrale globale di questo parametro costituisce un indice affidabile per l’ENSO, l’MJO e altre variabilità sub-stagionali. In questo contesto, risultano cruciali i processi capaci di modificare l’AAM globale, ovvero il momento di torsione dovuto all’attrito e quello montano, che operano rispettivamente su scale temporali medie e rapide. Di conseguenza, gli indici che coinvolgono questi processi giocano un ruolo chiave nella definizione delle componenti del GSDM, evidenziando come il momento di torsione montano induca anomalie nell’AAM e come il momento di torsione frizionale contribuisca a smorzarle.

La dinamica atmosferica relativa alla crescita e dispersione delle onde connette le aree in cui si generano le anomalie dell’AAM, situate tipicamente nelle regioni montuose, con le zone di assorbimento frizionale subtropicali. Queste ultime sono frequentemente localizzate in prossimità della linea del vento zonale zero, la quale varia stagionalmente. I momenti di torsione, generati da schemi noti di pressione e vento su larga scala, illustrano la complessità e l’interconnettività dei sistemi atmosferici che il GSDM cerca di modellare.

La modellazione sinottica si fonda su due principali motivazioni. In primo luogo, vi è il desiderio di approfondire la comprensione scientifica dell’evoluzione della circolazione atmosferica, con un obiettivo pratico legato all’attribuzione delle anomalie meteorologiche e climatiche. Gli strumenti diagnostici e i risultati analitici, frutto della ricerca scientifica, trovano applicazione nel campo del monitoraggio e della previsione, per indagare cause ed effetti o attribuire specifiche variazioni del clima. L’uso di tali diagnostiche nella previsione attiva è spesso trascurato in meteorologia, data la prevalente dipendenza dai modelli di previsione numerica e la mancanza di un quadro sinottico adeguato.

La seconda motivazione riguarda il monitoraggio quotidiano della circolazione atmosferica per valutare le previsioni dei modelli numerici nel contesto sub-stagionale. Ciò include l’analisi della potenziale prevedibilità delle transizioni nella circolazione e degli eventi meteorologici estremi. Gli eventi estremi di Momento Angolare Atmosferico (AAM) globale sono integrati nel GSDM come strumento di analisi. L’intento specifico è di esplorare il confine tra meteo e clima, che passa dalla previsione deterministica a quella probabilistica, con l’obiettivo di migliorare la qualità delle previsioni attraverso l’identificazione di errori modellistici noti e persistenti, specialmente nella previsione della convezione tropicale e della risposta circolatoria conseguente.

La Sezione 2 del lavoro presenta il GSDM attraverso lo studio di caso della stagione invernale boreale 2001-02, evidenziando due transizioni rapide della circolazione che implicano interazioni tra tropici ed extratropici, nonché valutando l’efficacia predittiva di un modello di previsione ensemble. La Sezione 3 dedica attenzione alla formulazione del GSDM, organizzando le anomalie circolatorie dei vari componenti del modello in una sovrapposizione lineare, guidata dalla tendenza temporale dell’AAM relativo globale.

2 Uno studio di caso: dicembre 2001–febbraio 2002

Uno studio di caso che si estende da dicembre 2001 a febbraio 2002 serve a introdurre fenomeni e variazioni cruciali per la costruzione del GSDM (Modello di Gestione dei Dati Geospaziali). Analizziamo due significative transizioni nella circolazione atmosferica associati a due eventi moderati delle Oscillazioni Madden-Julian (MJO). Il caso prende avvio in una fase di basso Momento Angolare Atmosferico (AAM), caratteristica di un regime di circolazione di La Niña. Si osserva poi una transizione verso uno stato di AAM elevato, tipico delle condizioni di El Niño, per concludere con un ritorno allo stato iniziale di La Niña.

Il ricorso al ciclo ENSO (El Niño-Southern Oscillation) per descrivere le variazioni sub-stagionali della circolazione atmosferica e dei fenomeni convettivi sottolinea l’evidente parallelismo tra le risposte alla convezione tropicale su scale temporali sia interannuali sia sub-stagionali. In effetti, le fasi 1 e 3 del GSDM, che saranno dettagliate nella sezione successiva, riflettono fedelmente le note anomalie di circolazione associate rispettivamente a La Niña e El Niño. È importante, quindi, che il lettore acquisisca familiarità con queste fasi, poiché verranno menzionate successivamente.

Durante questo studio di caso, emerge un altro fattore determinante: il torque montano. Questo elemento rappresenta adeguatamente due diverse scale temporali del GSDM. Mentre l’effetto su scala temporale rapida risulta immediatamente evidente, quello su scala intermedia viene illustrato dalle regressioni tra il torque frizionale giornaliero e le medie di 5-7 giorni del torque montano, anche se queste ultime non sono mostrate.

Concentrandosi sullo studio, vengono esplorati i ruoli del segnale convettivo del MJO, del torque montano a medie latitudini e dei treni d’onda su scala sinottica durante le due transizioni del flusso atmosferico su larga scala. L’attività del MJO nel biennio 2001-2002 ha avuto un impatto non solo sulla convezione e circolazione tropicale nel periodo di studio, ma anche sulle anomalie della temperatura superficiale del mare (SST) nell’Oceano Indo-Pacifico tropicale. Dopo essersi riprese da una serie di eventi La Niña di intensità da deboli a moderati nei tre anni precedenti, nell’autunno boreale del 2001 le SST hanno mostrato anomalie positive nel Pacifico occidentale tropicale. Il primo evento MJO di novembre 2001 ha contribuito a spostare verso est, in direzione della linea del cambio di data, la cosiddetta “piscina calda” oceanica. Questa variazione delle SST ha inaugurato un regime di variabilità convettiva tropicale di circa 25 giorni nel Pacifico occidentale, esemplificando il comportamento delineato dalla tendenza filtrata a 30 giorni dell’AAM relativo globale, come descritto nel GSDM.

Convezione Tropicale

Le Oscillazioni di Madden-Julian (MJO) analizzate mostrano un comportamento distintivo in un grafico che mette in relazione il tempo con la longitudine, come illustrato nella Figura 1. La prima MJO emerge sull’Oceano Indiano nel novembre 2001, si sposta verso il Pacifico occidentale all’inizio di dicembre 2001 e si arresta a ovest della linea del cambio di data. Questo arresto potrebbe essere interpretato come un effetto di feedback dovuto allo spostamento verso est delle acque oceaniche calde precedentemente menzionato.

La seconda MJO prende forma sull’Oceano Indiano a metà gennaio 2002 e arriva alla linea del cambio di data verso metà febbraio. Questo evento si caratterizza per una maggiore presenza di onde di Kelvin e onde di Rossby equatoriali rispetto alla prima MJO, e il suo segnale convettivo persiste a sud dell’equatore per gran parte di febbraio 2002, come evidenziato dalla Figura 1.

Entrambe le MJO si distinguono per una notevole ampiezza, specialmente alla longitudine di 120°E. Prendendo questa longitudine come punto di riferimento, si identifica un intervallo di ricorrenza di 65 giorni, che rappresenta l’estremità superiore della gamma dei periodi tipici delle MJO.

Per approfondire l’analisi delle due transizioni e del loro legame con la forzante convettiva associata alle MJO, nella Figura 1 sono stati evidenziati sette momenti chiave. Questi rappresentano cambiamenti rapidi all’interno dell’area di convezione delle MJO e nella quasi oscillazione di 25 giorni presso i 160°E, definiti come “flare-up convettivi tropicali”. Le date di questi eventi sono state stabilite analizzando le anomalie della radiazione infrarossa di uscita (OLR) filtrate su un periodo di 20-100 giorni, attraverso i primi due EOF (Funzioni Ortogonali Espansive).

Le due transizioni chiave nel GSDM sono collegate ai flare-up numerati 3 e 5. In particolare, T1 indica la transizione verso la fase 3, che assomiglia alle condizioni di El Niño, quando la MJO 1 si posiziona nel Pacifico centro-occidentale. T2, invece, segna la transizione alla fase 1, che ricorda le condizioni di La Niña, in corrispondenza della presenza della MJO 2 sull’Oceano Indiano. La tabella 1 dettaglia le date corrispondenti a questi eventi e transizioni.

Sebbene l’attenzione sia focalizzata principalmente sui flare-up 3 e 5, è importante notare che anche gli altri eventi hanno generato effetti transitori sia a livello regionale che globale, influenzando la circolazione atmosferica e le dinamiche meteorologiche.

La figura che osserviamo è un grafico di Hovmöller, un tipo di rappresentazione grafica che ci permette di vedere come un fenomeno meteorologico, in questo caso la convezione tropicale, si muove e cambia nel tempo attraverso varie longitudini, mantenendoci all’interno di una stretta fascia equatoriale tra 7.5° Nord e 7.5° Sud.

L’elemento che misuriamo qui è l’anomalia dell’Outgoing Longwave Radiation (OLR), ossia la radiazione infrarossa che viene emessa dalla Terra verso lo spazio. Valori negativi più intensi in questo grafico indicano aree di forte convezione, come le nubi temporalesche che bloccano la radiazione infrarossa verso lo spazio, un chiaro segno di attività meteo intensa.

Guardando i contorni colorati, possiamo distinguere tra differenti tipi di onde atmosferiche e fasi di convezione:

  • I contorni blu solidi mappano la fase convettiva rafforzata delle Oscillazioni Madden-Julian (MJO), mentre quelli tratteggiati seguono la fase soppressa.
  • I contorni verdi sono associati alle onde di Kelvin, rapide onde atmosferiche equatoriali che possono spingere la convezione da una parte all’altra dei tropici.
  • I contorni marroni delineano le modalità di onda di Rossby equatoriale, caratterizzate da un movimento più lento ma influenti sui pattern meteorologici a lungo termine.

Nel grafico si distinguono due eventi MJO: il primo, MJO1, emerge nell’Oceano Indiano e si sposta verso il Pacifico, mentre il secondo, MJO2, segue un percorso simile alcuni mesi dopo. Le barre trasversali chiarite mettono in risalto le transizioni chiave studiate, etichettate come T1 e T2, ciascuna rappresentando un momento significativo di cambiamento nel comportamento della convezione tropicale.

I numeri da 1 a 7 indicano momenti specifici di “flare-up convettivi tropicali”, ossia rapidi e intensi aumenti dell’attività convettiva. Questi punti sono di particolare interesse perché segnano eventi significativi legati alla variazione del clima e del tempo, come indicato nella discussione del testo e dettagliato nella Tabella 1.

Complessivamente, questa figura ci fornisce una vista sinottica di come la convezione tropicale evolva e interagisca con altre forme di dinamiche atmosferiche, influenzando così il clima e le condizioni meteorologiche in aree vastissime e per periodi prolungati.

la Tabella 1 è un registro cronologico di eventi atmosferici particolarmente rilevanti avvenuti durante il periodo di studio. Esaminiamo insieme questi eventi per capire come si sono svolti e quali effetti hanno avuto sulla circolazione atmosferica.

Iniziamo con l’evento numero 1, il 6 novembre 2001, quando la persistente attività convettiva nell’Oceano Indiano orientale, già in corso dall’autunno, prende forma nell’evento conosciuto come MJO 1. Questo segna l’inizio di un periodo di significative fluttuazioni meteorologiche.

Successivamente, il 4 dicembre, assistiamo al movimento della MJO 1 verso il Pacifico occidentale. È un passaggio chiave, poiché indica l’avanzamento di un fronte di convezione intensa attraverso regioni oceaniche significative.

Il 10 dicembre ci mostra la MJO 1 ormai arrivata presso la linea del cambio di data, dove la convezione si intensifica e persiste, influenzata dalle acque più calde sottostanti, per circa 20 giorni.

Dopo il nuovo anno, il 5 gennaio 2002, notiamo un’ulteriore intensificazione della convezione a ovest della linea del cambio di data. Questo evento dà il via a un treno di onde atmosferiche che si propagano da est a ovest attraverso i tropici.

Il 10 gennaio, l’attenzione si sposta nuovamente sull’Oceano Indiano con l’emergere della MJO 2, segnando un altro importante capitolo nello studio della convezione tropicale.

il 20 gennaio 2002 , l’area vicino alla linea del cambio di data diventa nuovamente teatro di intensa attività convettiva che persiste per diversi giorni mentre la MJO 2 prosegue il suo cammino verso ovest.

L’ultimo evento convettivo è registrato il 10 febbraio, con la MJO 2 che domina la scena equatoriale in movimento.

Le due transizioni di circolazione, T1 e T2, sono momenti topici in cui la dinamica atmosferica globale subisce una sorta di cambio di rotta. La transizione T1, tra il 19 e il 25 dicembre 2001, vede la circolazione atmosferica orientarsi verso un modello simile a quello di El Niño, una risposta diretta all’attività convettiva tropicale iniziata il 10 dicembre. T2, tra il 12 e il 18 gennaio 2002, segna invece il ritorno verso un modello simile a La Niña, reazione al cambiamento delle forze convettive tropicali.

Questa sequenza di eventi dipinge un affresco dinamico dei sistemi meteorologici tropicali e della loro influenza sulla circolazione atmosferica globale. Attraverso queste osservazioni, gli scienziati possono comprendere meglio come la convezione tropicale interagisce con e modella il clima terrestre su scala vasta.

Vento Meridionale a 250 mb nelle Medie Latitudini

Nello studio delle dinamiche atmosferiche, un’attenzione particolare è rivolta alle anomalie di circolazione che si verificano nelle medie latitudini, soprattutto per come queste interagiscono con i segnali provenienti dalla convezione tropicale. Queste interazioni vengono minuziosamente tracciate attraverso grafici giornalieri che mettono in relazione il tempo e la longitudine, e la Figura 2 è un esemplare di tale rappresentazione. In essa vengono evidenziate le anomalie del vento meridionale a 250 mb, calcolate come medie tra i 30° e i 60° Nord. Ciò che emerge è un quadro che presenta tre aspetti distinti: primo, le firme di sistemi tempestosi lungo le cosiddette “tracce delle tempeste”; secondo, la dispersione di energia che si verifica nelle regioni di media latitudine; e terzo, delle oscillazioni lente e quasi regolari nei pattern del vento meridionale a medie latitudini.

Le anomalie di altezza geopotenziale, un fattore chiave nella comprensione dei modelli di circolazione atmosferica, sono segnalate sul grafico. Attraverso queste misurazioni possiamo identificare la formazione di creste presso i 150° Ovest durante la prima metà di dicembre 2001, seguite dalla creazione di fosse nella stessa area per il resto di dicembre e all’inizio di gennaio 2002, per poi osservare un ritorno alla formazione di creste a metà gennaio e all’inizio di febbraio 2002. Ogni episodio meteo significativo è caratterizzato da 3-5 eventi a scala sinottica, i cui crinali e fosse si manifestano o si intensificano solitamente alla stessa longitudine.

La figura inoltre delinea chiaramente le transizioni T1 e T2, periodi significativi di cambio nella circolazione atmosferica. Durante queste transizioni, vengono enfatizzati i treni d’onde che si estendono da 120° Est a 90° Ovest, associati alla retrocessione delle anomalie esistenti, raffigurate con frecce rosse. Questi treni d’onde preludono a una sequenza di eventi sinottici simili.

La dinamica si fa più complessa dopo la transizione T2, con una variabilità spaziale maggiore dell’attività sinottica rispetto alla precedente fase 3. Questo periodo è anche caratterizzato da una lenta deriva verso ovest delle anomalie di circolazione, coincidente con anomalie positive della convezione tropicale sopra l’Oceano Indiano e l’Indonesia.

Infine, l’ultimo regime sinottico rappresentato nella Figura 2 è di tipo progressivo, delineato da linee piene leggere. Questo regime corrisponde al ritorno della convezione alla linea del cambio di data intorno al 12 febbraio 2002, segnando un altro punto di svolta nelle intricate coreografie dell’atmosfera terrestre.

Indici a Bassa Frequenza e Le Loro Forzanti

La Figura 3 ci guida attraverso una serie di indici giornalieri che documentano le variazioni a bassa frequenza, ossia quelle superiori ai 10 giorni, come illustrato dalla precedente Figura 2. Questi indici ci aiutano a comprendere la risposta dell’atmosfera sia al riscaldamento diabatico nelle regioni tropicali sia alle forze orografiche. Gli indici selezionati rappresentano una serie di schemi di variazione: il primo è l’integrale globale del Momento Angolare Atmosferico (AAM), che cattura le fluttuazioni atmosferiche su scala mondiale. Il secondo indice è dato dalla prima Funzione Ortogonale Empirica (EOF) del vento vettoriale combinato a 200/850 mb, una volta rimossa la componente media zonale, che ci parla delle variazioni a livello emisferico e subtropicale. Il terzo indice è il modello di teleconnessione PNA, il quale si concentra su anomalie regionali.

I comportamenti a bassa frequenza di questi indici si dimostrano sorprendentemente simili, segnando minimi agli inizi di dicembre 2001, massimi a cavallo tra la fine di dicembre e l’inizio di gennaio 2002 e, infine, ritornando ai minimi verso la fine di gennaio 2002. Questi picchi e valli di attività sono indicati con precisione lungo le curve degli indici, con particolare enfasi posta sui centri delle transizioni T1 e T2. È interessante notare che il PNA tende a seguire con un leggero ritardo le altre curve, suggerendo un modello di influenza che inizia dai Tropici, si estende ai subtropici e alla fine si ripercuote sulla circolazione regionale del Pacifico a medie latitudini.

La Figura 4 approfondisce l’analisi, mostrando una serie temporale di processi in grado di indurre questi cambiamenti atmosferici. In particolare, la Figura 4a illustra la prima EOF del torque montano medio zonale e del torque frizionale nell’emisfero settentrionale, colorati rispettivamente di rosso e blu. La rappresentazione monopolo del torque montano si estende tra i 20° e i 60°N, mentre quella del torque frizionale indica uno spostamento verso nord o sud del confine medio invernale del flusso di correnti occidentali superficiali. Successivamente, la Figura 4b si focalizza sui coefficienti delle prime due EOF dell’OLR, che descrivono la progressione verso est del fenomeno MJO. I flare-up convettivi, che erano stati numerati nella Figura 1 e inclusi anche nella Tabella 1, trovano conferma in questi coefficienti dell’OLR.

Attraverso queste figure e indici, abbiamo quindi una rappresentazione dettagliata delle forze che guidano le variazioni a bassa frequenza nell’atmosfera, dalla scala globale fino a quella regionale, seguendo un percorso che inizia dalle regioni equatoriali e si diffonde attraverso le latitudini maggiori.

Esaminando le serie temporali delle forze motrici, emergono caratteristiche a bassa frequenza che si aggiungono ai rapidi cambiamenti convettivi osservati nella Figura 4b e alla variabilità della componente sinottica visibile nella serie temporale del torque montano nella Figura 4a. In particolare, dall’analisi condotta nella Figura 1, abbiamo individuato un intervallo di ricorrenza di 65 giorni per la convezione MJO posizionata a 120°E; questo dettaglio è annotato sul fondo delle Figure 4a e 4b. Si notano valori negativi della seconda EOF dell’OLR ai capi di questo intervallo, che indicano la presenza di convezione sopra l’Indonesia in quei momenti.

Analizzando più in generale, si osserva che la prima EOF dell’OLR (in rosso) anticipa la seconda (in blu), un pattern che rispecchia la propagazione verso est delle anomalie.

Un comportamento a bassa frequenza particolarmente rilevante, che si manifesta nella Figura 4a, è l’intervallo di ricorrenza di 50 giorni del torque montano nelle medie latitudini. Confermato da studi come quelli di Lott e colleghi del 2001, questo fenomeno risulta significativo nella dinamica atmosferica. Il torque frizionale, rappresentato nella stessa figura, opera per smorzare le anomalie di momento angolare indotte dal torque montano e allo stesso tempo contribuisce a generare il segnale di AAM del MJO.

Nel contesto del Modello di Gestione dei Dati Geospaziali (GSDM), il MJO e le scale temporali di decadimento intermedie, così come le oscillazioni tra i 10 e i 30 giorni, influenzano le anomalie di circolazione durante le fasi 1 e 3. Questi processi sono complessi e strettamente intrecciati: generalmente, un incremento del torque montano è seguito da una diminuzione del torque frizionale e viceversa. Una porzione di ciascuna serie temporale è stata evidenziata con una linea tratteggiata per illustrare questa relazione di sfasamento nell’oscillazione di circa 50 giorni, aspetto che diventa particolarmente evidente dopo la transizione T2.

In questa fase, un significativo torque montano negativo estrae il momento di moto westerly dall’atmosfera, causando l’insorgere di anomalie di vento easterly e di un torque frizionale positivo. Questo lentamente riduce il momento di moto easterly, ristabilendo un temporaneo equilibrio nell’AAM. È proprio in questa fase di smorzamento che si manifestano le anomalie di circolazione di maggiore interesse per il monitoraggio e le previsioni, come ad esempio il caso di un PNA negativo.

Un ulteriore esempio, questa volta con segno opposto, viene messo in luce durante dicembre 2001 nella Figura 4a attraverso due frecce nere, sottolineando come la dinamica atmosferica sia un delicato intreccio di forze e risposte in continua evoluzione.

Nel tessuto complesso delle dinamiche atmosferiche, le transizioni T1 e T2 emergono come momenti chiave, la cui posizione è accuratamente segnalata con ombreggiature nella Figura 4. Questi momenti di cambiamento si allineano strettamente ai picchi estremamente elevati, sia positivi che negativi, nel torque montano, evidenziando l’intensa variabilità quotidiana. Questa variabilità è il risultato diretto del movimento dei sistemi sinottici attraverso le variegate topografie, con quella asiatica ed europea che apporta un contributo significativo a entrambe le tipologie di anomalie. È interessante notare come la topografia del Nord America giochi un ruolo primario, ma soprattutto nella generazione dell’anomalia negativa più avanzata nel tempo.

Questi eventi legati al torque montano si trovano al centro dell’amplificazione di onde barocline, posizionate a valle della topografia asiatica, che si estendono fino alla metà occidentale del Pacifico settentrionale. Durante la transizione T1, l’intensificarsi di queste onde porta a una rottura ciclonica delle onde sopra l’est del Pacifico, influenzando le correnti occidentali verso sud e marcando l’inizio della fase 3. Un meccanismo inverso si osserva nella transizione verso la fase 1, dimostrando la reversibilità e la dinamicità dei processi atmosferici.

Ulteriori dettagli emergono dalla Figura 4b, che colloca temporalmente le transizioni a 5-10 giorni dopo il flare-up convettivo 3 e a 1-3 giorni dopo il flare-up 5. Questo modello suggerisce un legame, seppur non stretto, tra i rapidi cambiamenti nella circolazione atmosferica e i bruschi spostamenti convettivi all’interno dell’involucro del MJO. In questa intricata rete di cause ed effetti, il torque montano a medie latitudini si rivela un attore cruciale nelle due transizioni. Tuttavia, è impossibile ignorare l’impatto della forzante tropicale continua, simboleggiata dalle barre orizzontali marcanti nella serie temporale di OLR EOF 1, che sostiene e perpetua le anomalie della circolazione su larga scala.

In sintesi, le transizioni T1 e T2 non sono solo punti di svolta determinati dalle dinamiche interne dell’atmosfera ma anche risultati della complessa interazione tra topografia, movimenti convettivi e forzanti tropicali, un mosaico di fattori che insieme modellano i pattern di circolazione atmosferica globale.

la Figura 2 che abbiamo davanti è un’elegante visualizzazione di come i venti meridionali ad alta quota si comportano durante i mesi invernali tra il 2001 e il 2002, racchiusi tra le latitudini medie del nostro pianeta. Utilizzando il formato del grafico di Hovmöller, questo schema ci permette di osservare le variazioni nel tempo e nello spazio dei venti a 250 millibar, che è una quota rilevante per comprendere la dinamica della corrente a getto.

Le transizioni atmosferiche, contrassegnate come T1 e T2, sono segnalate da linee orizzontali solide e fungono da marcatori temporali di periodi significativi, nei quali si osservano cambiamenti sostanziali nella circolazione atmosferica. Questi cambiamenti sono associati a movimenti di grandi masse d’aria e possono avere implicazioni dirette sulle condizioni meteorologiche che sperimentiamo al suolo.

Guardando più da vicino, le sigle “H” e “L” scandiscono il ritmo della danza tra crinali e fosse atmosferiche. Gli “Hs” indicano zone di alta pressione, dove l’aria tende a discendere, portando spesso tempo più stabile. Al contrario, gli “Ls” segnalano aree di bassa pressione, associate a salite d’aria e potenzialmente a condizioni più turbolente, come tempeste e precipitazioni.

Le frecce rosse che attraversano la mappa come un sentiero che si snoda all’indietro ci dicono di un fenomeno chiamato retrogressione, un indicatore di come le anomalie climatiche tendano a muoversi in direzione opposta alla rotazione terrestre, da est verso ovest. Questo movimento retrogrado è fondamentale per la previsione meteorologica, poiché indica spostamenti di massa d’aria che possono alterare i modelli previsti.

Le linee tratteggiate chiare accompagnano l’occhio in un viaggio che segue il lento spostamento verso ovest di un regime atmosferico, un segnale di transizioni su larga scala che si sviluppano nel tempo.

Infine, le linee nere solide, inclinate e decise, tagliano la scena mostrando le anomalie di circolazione che procedono con passo progressivo dopo l’inizio di febbraio 2002, un segno che la dinamica atmosferica si sta spostando in una nuova fase.

Questo quadro di alta quota, dettagliato nella Figura 2, riflette una sinfonia di pattern meteorologici, con crinali e fosse che si alzano e si abbassano, e con i venti che soffiano da direzioni inaspettate, un mosaico di movimenti che insieme tesse il tessuto del nostro clima.

La Figura 3 ci offre uno sguardo dettagliato su come si muove e cambia l’atmosfera della Terra attraverso due grafici che tracciano l’evoluzione di indicatori chiave nel corso di un inverno, dal 1 novembre 2001 al 28 febbraio 2002.

Nel grafico superiore, il focus è sul Momento Angolare Atmosferico (AAM) globale, un indice che riflette la quantità totale di movimento rotazionale presente nell’atmosfera della Terra. La curva fluttuante rappresenta l’andamento complessivo dell’AAM nel periodo considerato, misurato in un’unità astronomicamente grande che cattura il gigantesco slancio dell’atmosfera terrestre. L’AAM può oscillare per una serie di motivi, tra cui variazioni nella velocità e direzione del vento, così come per le interazioni dell’atmosfera con la superficie della Terra, come le catene montuose e gli oceani.

Guardando più in basso, nel secondo grafico, l’attenzione si sposta sull’analisi delle componenti principali del vento (indicato in rosso) e sul pattern di teleconnessione PNA (in blu). Questi sono indicatori più sottili del modo in cui l’atmosfera si sta comportando su larghe scale, con il pattern PNA in particolare che ha implicazioni significative per il clima del Nord America.

Le linee verticali che attraversano entrambi i grafici segnalano i momenti di T1 e T2, che sono come due colonne che sostengono il racconto di questa narrazione atmosferica. Essi rappresentano le transizioni critiche, momenti nei quali si verifica una marcata svolta nella storia meteorologica del periodo in questione, riscontrabile nelle evidenti variazioni dell’AAM e nei pattern EOF e PNA.

Questa serie di misure e grafici non è solo un esercizio accademico; riflette una realtà dinamica e vivente che ha impatti diretti sul tempo che si apre sopra le nostre teste e che, a sua volta, plasma le nostre vite, influenzando tutto, dalle tempeste invernali fino ai cicli di precipitazioni e persino a fenomeni meteorologici più estremi.

La Figura 4 ci apre una finestra sui ritmi sotterranei che governano il moto dell’atmosfera tra novembre 2001 e febbraio 2002, delineando due serie di oscillazioni chiave. Nel grafico superiore, siamo testimoni del dialogo tra il torque montano e frizionale, i cui andamenti sono rispettivamente tracciati in rosso e blu. Il torque montano, influenzato dalla vasta topografia della Terra, danza al ritmo delle catene montuose, salendo e scendendo con l’interazione delle masse d’aria in movimento. In parallelo, il torque frizionale segue il contatto più intimo tra l’aria e la superficie del pianeta, riflettendo il gioco di attrito che agisce per rallentare o accelerare il vortice atmosferico.

La parte inferiore del grafico, contrassegnata da curve in rosso e blu, ci rivela la coreografia della convezione atmosferica attraverso l’analisi delle prime due EOF dell’Outgoing Longwave Radiation (OLR) filtrate su un periodo di 20-100 giorni. La OLR è un termometro dell’attività convettiva: un OLR più basso, o valori negativi di EOF, suggeriscono un cielo tumultuoso pieno di nubi dense e pioggia, mentre i valori più alti riflettono un cielo più sereno.

Gli indicatori sui lati destri dei grafici ci guidano nella decodifica di questi pattern: colori vividi ci dicono quando la convezione si fa intensa sul Pacifico occidentale o sull’Oceano Indiano. Questi segnali sono come luci su un palcoscenico globale, illuminando dove l’azione si scatena nell’ampio teatro dell’atmosfera.

Come colpi di scena in questo dramma atmosferico, le barre verticali ombreggiate segnano i momenti di T1 e T2—periodi critici di cambiamento che sono strettamente legati ai movimenti descritti dai grafici sopra e sotto. Sono le svolte narrative nel ciclo annuale del clima, momenti in cui le dinamiche della Terra sembrano cambiare passo, influenzando non solo le previsioni meteo ma anche l’equilibrio globale del nostro clima.

Attraverso questa narrazione in due parti, la Figura 4 ci mostra un affascinante intreccio tra la fisica celeste e quella terrestre, tra il suolo e il cielo, un dialogo dinamico che continua ininterrottamente sopra le nostre teste.

Mappe Sinottiche Durante le Transizioni di Circolazione

La Figura 5 presenta mappe selezionate della giornata relative all’anomalia del vento vettoriale a 150 mb durante il periodo T1. Le anomalie principali, considerate dal punto di vista dell’MJO, includono la soppressione della convezione sull’Oceano Indiano e la convezione attiva nelle vicinanze della linea del cambio data (non illustrata qui, ma consultabile nella Figura 1). All’inizio della sequenza, come mostrato nelle Figure 5a e 5b, si distingue un treno d’onda che attraversa l’Oceano Indiano e il sud dell’Asia, con una depressione posizionata a 20°N, 70°E. Questa depressione rimane quasi stazionaria e si trasforma progressivamente in un’ampia anomalia ciclonica che finisce per coprire l’intera regione (come illustrato nella Figura 5f). In questa fase, l’MJO contribuisce a forzare la depressione e determina la fase di un treno d’onda di numero d’onda 5-6, attraverso cui l’energia si muove verso est.

Più a nord, un altro treno d’onda più stazionario, a 60°N, si fonde con il treno d’onda subtropicale sopra il Pacifico settentrionale a medie latitudini, come visto nella Figura 5b. Questa interazione precede l’amplificazione dell’onda sul Pacifico occidentale osservata nelle Figure 5d fino alla 5f. L’amplificazione dell’onda, a ovest della linea del cambio data, è coerente con la risposta orografica a un momento torcente positivo sui monti (W03). I processi baroclinici e il deflusso di livello superiore dalla convezione tropicale a ovest della linea del cambio data favoriscono questo processo di amplificazione. Nella Figura 5f, la depressione a valle sul Pacifico nord-orientale ha acquisito un’inclinazione negativa, segnando l’avanzamento di un completo evento di rottura ciclonica. Questo fenomeno si associa anche a un’anomalia antociclonica retrograda che attraversa il Canada e l’Atlantico Nord, favorendo una forte proiezione sulla fase positiva della PNA e sulla fase negativa della NAO. Questo schema di forti correnti occidentali tropicali-subtropicali persiste per circa 15 giorni.

Durante il periodo T2, si osserva un comportamento quasi opposto, con l’evoluzione sinottica che porta allo stadio 1 del GSDM, come mostrato nella Figura 6. Al posto di una depressione, emerge un’anticiclone a 20°N, 70°E (Figure 6a e 6b), stimolata dalla forte convezione sull’Oceano Indiano. La fase del treno d’onda è invertita rispetto a quella osservata nella Figura 5, e l’anticiclone sull’Oceano Indiano si sviluppa in una vasta anomalia antociclonica che domina il sud dell’Asia man mano che la transizione matura (vedi Figura 6f). Anche in questo caso, avviene un’amplificazione a valle sul Pacifico nord-occidentale, ma con la fase invertita (Figure 6b-d), e senza evidenze di un treno d’onda preesistente più a nord. Questo porta a una rottura d’onda sul Pacifico orientale (Figure 6e e 6f) che assume caratteristiche antocicloniche lungo la costa occidentale degli Stati Uniti. Lo schema dello stadio 1 viene mantenuto grazie a variazioni aggiuntive del flusso meridionale-zonale, che portano a ulteriori rotture d’onda antocicloniche lungo la costa occidentale degli Stati Uniti (non mostrate). L’ultima rottura d’onda, avvenuta verso la fine di gennaio 2002, si collega a un getto subtropicale eccezionalmente forte, stimolato dall’intensificarsi della convezione tropicale vicino alla linea del cambio data, provocando un evento meteorologico estremo invernale (neve e pioggia gelata) sulle Grandi Pianure. Le caratteristiche della circolazione dello stadio 1 del GSDM si sono infine dissolte a metà febbraio 2002, come illustrato nella Figura 2.

Capacità Predittiva delle Transizioni di Circolazione

L’inizio improvviso dei regimi di circolazione delle fasi 3 e 1 comporta importanti implicazioni per le previsioni a medio termine. La Figura 7 illustra la capacità previsionale media dell’ensemble fino al quindicesimo giorno durante la stagione invernale 2001-2002, utilizzando una versione del 1997 del modello di Previsione a Medio Raggio del National Centers for Environmental Prediction (NCEP). Questo modello, che dispone di un dataset di rielaborazione ventennale, pubblica le previsioni in tempo reale sul Web (Hamill et al. 2004; per maggiori dettagli consultare http:www.cdc.noaa.gov/people/jeffrey.s.whitaker/refcst/week2/). La misura di capacità adottata in questo contesto è la correlazione spaziale tra le previsioni e le effettive anomalie della funzione di corrente a 150 mb nell’Emisfero Settentrionale.

Durante la stagione considerata, si identificano tre periodi in cui la capacità previsionale media dell’ensemble, relativa all’anomalia della funzione di corrente a 150 mb dell’Emisfero Settentrionale a 11 giorni, si dimostra particolarmente bassa (0,5). Questi periodi di bassa capacità sono caratterizzati da un cambiamento significativo nella forzante convettiva tropicale, osservato ma presumibilmente non catturato adeguatamente durante il ciclo di previsione. I cambiamenti convettivi maggiori sono indicati con delle frecce nel pannello superiore della Figura 7, evidenziando i flare-up numerati 3, 5 e 7. Si osserva che le transizioni 5 e 7 si verificano vicino alla fine del ciclo di previsione, suggerendo un impatto rapido sulle anomalie di circolazione dell’Emisfero Settentrionale e potenzialmente spiegando la bassa capacità previsionale.

Per quanto riguarda le transizioni T1 e T2, un elemento chiave è rappresentato dall’amplificazione di un disturbo d’onda sul Pacifico nord-occidentale. Ad esempio, il 23-24 dicembre 2001, il sistema di coppie di pressione “bassa–alta” ad ovest della linea del cambio data è stato previsto con 11 giorni di anticipo, mentre la coppia di pressione “alta–bassa” nello stesso punto tra il 15 e il 16 gennaio non è stata anticipata. Un indizio di quanto accaduto può essere dedotto dall’andamento generale della capacità previsionale per l’inverno 2001-2002. La previsione per il 23-24 dicembre 2001 è stata inizializzata dopo il flare-up numero 3, mentre quella per il 15-16 gennaio 2002 è stata preparata prima dell’evento numero 5. Si presume che la mancata identificazione dell’inizio del flare-up numero 5 e del significativo momento torcente montano negativo abbiano contribuito alla scarsa capacità previsionale registrata durante la seconda transizione. Per confermare ulteriormente queste osservazioni, sarebbe necessario esaminare un maggior numero di casi.

La Figura 5 fornisce una rappresentazione visiva dell’evoluzione giornaliera delle anomalie del vento a 150 metri di quota durante il periodo designato come T1, che si caratterizza per il passaggio alla terza fase del Global Synoptic-Dynamic Model (GSDM). Ogni pannello, etichettato dalla lettera (a) alla lettera (f), corrisponde a un giorno specifico, partendo dal 19 dicembre e concludendosi il 25 dicembre.

In questa sequenza, è possibile osservare le aree di alta e bassa pressione, indicate rispettivamente con le lettere “H” (Highs) e “L” (Lows), che si spostano e mutano nel tempo. Le “H” marcano le zone dove le condizioni sono antocicloniche, vale a dire con circolazioni anomale in senso orario nell’emisfero settentrionale, tipicamente associate a condizioni atmosferiche più stabili. Invece, le “L” identificano aree cicloniche con circolazioni anomale in senso antiorario, frequentemente collegate a maltempo, come pioggia o tempeste.

Le frecce che si estendono in vari punti del grafico rappresentano le anomalie del vento vettoriale: la loro direzione indica il verso del vento mentre la lunghezza suggerisce la sua forza o intensità rispetto al valore medio atteso per quel periodo dell’anno.

Tre linee verticali dividono la figura in settori, rappresentando i meridiani di 90° Est, 180° (linea del cambio data) e 90° Ovest. Questi riferimenti geografici sono utilizzati per localizzare le anomalie atmosferiche e per comprendere come queste si inseriscono all’interno della circolazione atmosferica globale.

Queste visualizzazioni sono estremamente utili per gli studiosi di meteorologia e climatologia, poiché offrono una visione sintetica ma dettagliata di come anomalie significative si sviluppano e si propagano nell’atmosfera, influenzando potenzialmente le condizioni meteorologiche su larga scala.

La Figura 6 è la controparte della Figura 5 e rappresenta la sequenza delle anomalie del vento vettoriale a 150 metri di quota, ma per il periodo T2, che corrisponde alla transizione verso la prima fase del Global Synoptic-Dynamic Model (GSDM). Ciascuno dei sei pannelli, da (a) a (f), mostra una mappa giornaliera consecutiva a partire dal 12 gennaio fino al 18 gennaio.

Le lettere “H” e “L” annotano nuovamente le regioni di alta e bassa pressione, rispettivamente. Queste indicano zone di circolazioni anomale antocicloniche e cicloniche, con le prime tipicamente associate a condizioni di tempo più stabile e le seconde a condizioni più turbolente e tempestose. Le anomalie dei venti, rappresentate dalle frecce, indicano deviazioni dalla media stagionale, con la loro direzione e dimensione che rappresentano rispettivamente il verso e l’intensità del vento.

Le linee verticali dividono la mappa in tre settori lungo i meridiani significativi di 90° Est, 180° (la linea del cambio data), e 90° Ovest, fornendo un riferimento geografico per situare le anomalie mostrate.

Attraverso questa serie di immagini si può osservare l’evoluzione dinamica dell’atmosfera superiore e l’interazione tra le diverse masse d’aria. Tali osservazioni sono di vitale importanza per gli esperti di meteorologia, poiché offrono una finestra sull’evoluzione delle condizioni atmosferiche che possono influenzare i modelli climatici a lungo termine e le previsioni meteorologiche a medio termine.

La Figura 7 fornisce un’analisi approfondita della capacità previsionale di un modello meteorologico durante l’inverno 2001-2002.

Il grafico superiore mostra due curve, una blu e una rossa, che rappresentano le prime due Funzioni Ortogonali Empiriche (EOF) della radiazione infrarossa in uscita (OLR), un indicatore dell’attività convettiva globale. Queste curve tracciano la variabilità di tale attività convettiva nel periodo da dicembre a febbraio. Le frecce numerate 3, 5 e 7 indicano momenti specifici in cui si verificano dei “flare-up” ovvero degli intensi eventi convettivi.

Nel grafico inferiore, l’attenzione è focalizzata sulla capacità previsionale di un insieme di modelli di previsione, misurata attraverso il coefficiente di correlazione delle anomalie per la funzione di corrente a 150 mb nell’Emisfero Settentrionale. Questa misura è indicativa di quanto accuratamente il modello può prevedere le condizioni effettive. Un coefficiente di correlazione di 1 indicherebbe una previsione perfetta, mentre 0 non mostrerebbe alcuna relazione predittiva. I punti neri evidenziano i momenti in cui la capacità previsionale per il giorno 11 raggiunge i livelli più bassi, suggerendo un calo di precisione.

Le linee inclinate rappresentano i cicli di previsione del modello, che vanno dal giorno 1 al giorno 15. La linea orizzontale attraverso il grafico inferiore enfatizza il giorno 11 di previsione, che è un importante indicatore di riferimento per la valutazione delle capacità a medio termine. Le condizioni iniziali del modello sono indicate con “IC”, e i tempi di verifica, momenti in cui le previsioni del modello vengono confrontate con i dati reali, sono rappresentati dalle linee verticali.

Questa figura è dunque una rappresentazione visiva di come eventi significativi come i flare-up convettivi possono influenzare la capacità previsionale dei modelli, portando a una minore affidabilità delle previsioni in concomitanza con tali eventi.

f Discussione

Durante lo studio di caso presentato, abbiamo esplorato una varietà di fenomeni e processi atmosferici significativi. Tra questi, abbiamo discusso come la forzatura convettiva tropicale incorpori diverse scale temporali: dal Madden-Julian Oscillation (MJO) che varia tra 30 e 60 giorni, alle esplosioni convettive che durano da 20 a 30 giorni, fino ad includere le onde equatoriali accoppiate con la convezione. Abbiamo anche osservato l’influenza della forzatura topografica, che si manifesta attraverso disturbi su scala sinottica raggruppati intorno a un intervallo di 50 giorni. Questi ultimi generano anomalie del momento zonale che vengono poi eliminate dal torque frizionale. Inoltre, è stato evidenziato il ruolo del pattern di teleconnessione Pacific North American (PNA) nel facilitare questo processo di rimozione.

Un fenomeno particolarmente interessante è stato l’oscillazione di 50 giorni nel torque montano, che si allinea con la scala temporale di decadimento di 6 giorni del ciclo dell’indice F-M. Questo ciclo, caratterizzato da un processo di rumore rosso con un picco di varianza intorno ai 38 giorni, dimostra come certe oscillazioni, come quella di 50 giorni, emergano da questo background di rumore, nonostante l’assenza di una forzatura coerente a tali periodi.

Nel complesso, lo studio ha messo in luce come questi processi diversificati collaborino nell’evoluzione delle anomalie della circolazione atmosferica. Abbiamo notato come certi indici mostrino una lenta evoluzione delle condizioni atmosferiche, mentre altri evidenzino transizioni rapide associate ai treni d’onda su scala sinottica. Questi ultimi sono stati identificati come veicoli chiave per la diffusione delle informazioni sui cambiamenti delle forzature atmosferiche attraverso l’emisfero, collegando zone come le zone barocline degli oceani occidentali, le zone convettive tropicali e i centri di variabilità a bassa frequenza.

Il ruolo dei disturbi rapidi e dell’orientamento casuale di questi fenomeni nella circolazione atmosferica è stato sottolineato come un fattore critico nelle transizioni del sistema climatico. Questi eventi, muovendosi rapidamente verso est, possono innescare o facilitare cambiamenti significativi nel modello di circolazione, portando a eventi sinottici ripetibili che si sovrappongono al flusso atmosferico quasi stazionario. Questa dinamica offre spunti preziosi per la previsione estesa del comportamento atmosferico su scala sinottica, aprendo la porta a previsioni meteo più accurate e informate.

In questa analisi approfondiamo ulteriormente la nostra comprensione dell’evoluzione della circolazione atmosferica, evidenziando come la forzatura giochi un ruolo fondamentale. Diverse sorgenti di forzatura interagiscono per modellare le risposte della circolazione atmosferica, che a loro volta si combinano in maniera lineare, generando le anomalie osservate in momenti specifici. È interessante notare come queste anomalie, sebbene possano essere sostenute da meccanismi di feedback, tendano a disperdersi con il variare della forzatura, inclusi gli effetti del coupling con le anomalie persistenti della temperatura superficiale del mare (SST). Questo concetto trova conferma negli studi di Sardeshmukh e colleghi, che hanno messo in luce l’importanza della forzatura nell’evoluzione delle anomalie della circolazione a bassa frequenza.

L’efficacia del modello inverso lineare (LIM) proposto da Winkler e collaboratori, focalizzato sulle anomalie settimanali della circolazione, si basa proprio sull’essenzialità della forzatura tropicale e altre sorgenti per la previsione delle fasi iniziali (1-3 settimane) delle anomalie atmosferiche. Questo modello, analizzando le medie su 7 giorni, condivide caratteristiche con il GSDM, che verrà esplorato di seguito. Il LIM identifica tre strutture ottimali che mostrano una crescita non modale su un vasto spettro di troncamenti, con tassi di crescita massimizzati. Due di queste strutture sono associate alla forzatura dal MJO e dall’ENSO, mentre la terza è correlata al pattern PNA, legato ai feedback dei vortici alle medie latitudini. La sua natura oggettiva rende il LIM uno strumento versatile per studi di feedback dinamico e di prevedibilità.

Il GSDM, pur essendo un modello di natura soggettiva, arricchisce l’analisi includendo una componente sinottica e un’oscillazione submensile, oltre al MJO e al PNA, configurandosi come un approccio che considera quattro “modi” rispetto ai tre del LIM. La dinamica del GSDM si basa sui termini del bilancio dell’AAM globale e zonale, con i trasporti meridionali e verticali che contribuiscono alla generazione dei torque in superficie. Il modello assume un allineamento lineare delle sue componenti, integrando così diverse scale temporali e spaziali. Sebbene non includa esplicitamente l’ENSO, la comprensione del ciclo di quest’ultimo è fondamentale per l’applicazione pratica del modello in tempo reale.

Entrambi i modelli, il LIM e il GSDM, offrono strumenti preziosi per il monitoraggio, l’attribuzione e la previsione delle anomalie atmosferiche. Rappresentano avanzamenti significativi nella nostra capacità di comprendere e prevedere l’evoluzione della circolazione atmosferica, basandosi sull’importanza critica della forzatura nelle dinamiche climatiche. La presentazione del GSDM, che segue, approfondirà questi concetti, contribuendo a una visione più completa delle forze che modellano il nostro clima.

La Figura 8 illustra un’analisi dettagliata di alcuni aspetti chiave della circolazione atmosferica invernale, suddivisa in tre grafici che coprono i mesi da novembre a marzo, dal 1979 al 1995.

Nel primo grafico, in alto, ci viene mostrato l’andamento della prima funzione ortogonale empirica (EOF) dell’emissione di radiazione a onde lunghe (OLR) filtrata per evidenziare i cicli da 20 a 100 giorni, che corrispondono al fenomeno noto come Madden-Julian Oscillation (MJO). Questo grafico mette in rilievo la dinamica dell’MJO, un meccanismo che influenza la variabilità del clima a breve termine, con i suoi alti e bassi che si susseguono lungo l’asse del tempo, espresso in giorni, e un’ampiezza che è rappresentata in termini non dimensionali.

Il grafico centrale ci permette di osservare il torque frizionale globale giornaliero una volta che l’influenza dell’MJO è stata rimossa. Ciò ci consente di isolare gli schemi di teleconnessione, ossia quei modelli atmosferici che si estendono su grandi distanze e sono interconnessi, indipendentemente dalle loro posizioni geografiche. L’analisi qui evidenzia variazioni sottili ma significative nel clima che emergono dopo l’eliminazione dell’impatto dominante dell’MJO, con il tempo ancora in giorni e l’ampiezza non dimensionale.

Infine, nel grafico in basso, vediamo la tendenza della quantità di moto angolare relativa globale (AAM) su un filtro di 30 giorni, che ci offre una finestra sulla dispersione dell’energia delle onde atmosferiche sopra le montagne. Questo è particolarmente importante per comprendere come le onde atmosferiche interagiscano con le grandi catene montuose e come quest’interazione possa influenzare fenomeni meteorologici su scale più vaste. Anche in questo grafico, il tempo scorre lungo l’asse orizzontale e l’ampiezza delle fluttuazioni è raffigurata verticalmente in valori non dimensionali.

Questi tre grafici insieme forniscono una visione integrata e piuttosto completa delle forze in gioco nella circolazione atmosferica invernale, dal movimento di grandi sistemi climatici come l’MJO, ai pattern legati ai feedback dei vortici atmosferici, fino all’impatto della topografia terrestre sulla dinamica dell’atmosfera. Attraverso questa analisi, i ricercatori possono trarre preziose informazioni sulla natura interconnessa del nostro sistema climatico e su come vari fattori contribuiscano alla sua costante evoluzione.

3. Un Modello Sinottico-Dinamico Globale (GSDM) della variabilità substagionale

Il modello sinottico organizza quattro scale temporali substagionali in un’unica rappresentazione che descrive un’evoluzione ricorrente dei pattern climatici globali e regionali. Sarebbe stato possibile scegliere numerosi indici per definire una rappresentazione spaziale rappresentativa per ciascuna scala temporale. Abbiamo utilizzato (i) la prima EOF dell’OLR filtrata tra 20 e 100 giorni per rappresentare l’MJO, (ii) il torque frizionale globale giornaliero con l’MJO rimosso linearmente per rappresentare il “ciclo dell’indice F–M” (W03) e (iii) la tendenza filtrata a 30 giorni della quantità di moto angolare relativa (AAM) per rappresentare la dispersione dell’energia delle onde sui monti (W03) e le oscillazioni di 10–30 giorni. Gli indici sono stati calcolati per i sedici segmenti invernali, da novembre a marzo del periodo 1979–95.

La media del segmento è stata rimossa prima dell’analisi di regressione per minimizzare i contributi della variabilità interannuale. Le anomalie risultanti saranno interpretate rispetto a un ciclo stagionale levigato.

La Figura 8 mostra i tre indici. Il loro diverso comportamento temporale è evidente e varia da quasi-oscillatorio (Fig. 8a) a rumore rosso (Fig. 8b) a rumore bianco più un’oscillazione di 20–25 giorni (Fig. 8c). Si presume implicitamente che queste scale temporali siano adeguate a rendere conto di alcune variazioni interessanti nella banda substagionale, con un focus particolare sui Tropici, sull’Asia e sulla regione Pacifico–Nord Americana. Prima, tuttavia, esaminiamo la relazione con la quantità di moto angolare media globale e zonale (AAM), che viene utilizzata per “faseggiare” i componenti del modello.

Quantità di Moto Angolare Atmosferica e il Suo Ruolo nella Variabilità Substagionale

Nello studio di caso preso in esame, la quantità di moto angolare atmosferica (AAM) globale mostra un’evoluzione piuttosto regolare, malgrado la complessità delle forzature illustrate. Analizzando con attenzione la serie temporale dell’AAM, è possibile individuare le reazioni alle rapide variazioni dei torque montano e frizionale. Queste osservazioni, in combinazione con un’oscillazione globale di circa 60 giorni, suggeriscono l’influenza di forzature più deboli ma persistenti legate all’MJO. Diventa chiaro che diverse scale temporali interagiscono per dare vita al comportamento atmosferico che osserviamo.

Abbiamo poi identificato alcuni elementi fondamentali di questo processo e abbiamo esplorato il loro possibile collegamento. Ad esempio, le anomalie dell’AAM, sia globali che zonali, mostrano un segnale consistente quando correlate con gli indici del GSDM. Questa relazione temporale è cruciale per la costruzione del nostro modello e si basa sul presupposto che, se si combinassero linearmente le tre scale temporali e si tenesse conto dei loro specifici ritardi, si osserverebbe una significativa tendenza temporale dell’AAM. Questo interesse per le grandi anomalie deriva dall’osservazione che gli eventi atmosferici estremi spesso risultano dall’interazione di molteplici scale temporali.

Il movimento delle anomalie dell’AAM dalle regioni equatoriali verso quelle subtropicali, insieme a un movimento più debole in direzione equatoriale intorno ai 50°N, pone in risalto un segnale coerente che emerge dal nostro modello. L’indice F–M di media scala temporale introduce un’asimmetria intorno al giorno zero del modello, riflettendo la complessa dinamica dei trasporti di momento angolare operati da diversi tipi di vortici atmosferici. Questi ultimi giocano un ruolo fondamentale nel collegare dinamicamente le scale temporali che stiamo esaminando.

Nella sezione successiva, approfondiremo i modelli sinottici che sono correlati ai cambiamenti dell’AAM globale e zonale. Dato che le regressioni per la tendenza a 30 giorni e per il torque frizionale sono basate su indici globali, i pattern emersi enfatizzano quei contributi che sono significativi per i cambiamenti globali dell’AAM. Per esempio, nella tendenza a 30 giorni, sono rappresentate le influenze delle principali regioni topografiche, mentre per il torque frizionale globale, i venti superficiali dell’emisfero settentrionale sull’oceano acquistano particolare importanza.

Durante variazioni substagionali specifiche, non tutte le regioni influenzano la forzatura allo stesso modo o simultaneamente. Nello studio di caso, l’Asia è emersa come il contributo principale al torque montano positivo, mentre sia l’Asia che il Nord America hanno influenzato il torque negativo in momenti diversi. Nonostante questo, la forzatura simultanea da parte delle tre regioni non è rara e può essere coordinata dalla propagazione polare delle anomalie del vento zonale o dalla dispersione delle onde di Rossby, stimolata dal riscaldamento tropicale nel Pacifico occidentale. Generalmente, tuttavia, la sincronizzazione dei pattern regionali è influenzata dall’uso di una misura globale per la base dell’analisi, il che può alterare comportamenti regionali significativi.

La Figura 9 è una visualizzazione dettagliata che mostra come certi aspetti chiave del movimento dell’atmosfera globale variano nel tempo. Si concentra su tre elementi principali: il movimento complessivo dell’atmosfera, la forza esercitata dalle montagne su questo movimento e la forza dell’attrito tra la superficie della Terra e l’atmosfera. In pratica, questi elementi ci aiutano a capire quanto velocemente e in quale direzione “gira” l’atmosfera intorno al nostro pianeta.

La figura è divisa in cinque parti:

  • La prima parte (a) ci mostra come cambia il movimento globale dell’atmosfera di giorno in giorno.
  • La seconda parte (b) mette in evidenza i cambiamenti derivanti da fluttuazioni più lunghe nell’atmosfera, che possono durare da 20 a 100 giorni.
  • La terza parte (c) esclude l’influenza di un fenomeno atmosferico noto come Oscillazione Madden-Julian (MJO), concentrandosi sugli effetti dell’attrito sulla rotazione atmosferica.
  • La quarta parte (d) si focalizza sulle variazioni che si verificano su un ciclo di circa 30 giorni.
  • Infine, la quinta parte (e) illustra l’effetto delle montagne sul movimento dell’atmosfera.

Le curve nelle diverse parti rappresentano le anomalie del movimento atmosferico complessivo, del torque montano e del torque frizionale, rispetto a una linea di base o norma. Il termine “lag” si riferisce al numero di giorni prima o dopo un punto di riferimento centrale, mostrando come questi fattori possano “precedere” o “seguire” determinate condizioni atmosferiche.

Nelle parti con le curve, i valori negativi indicano che l’anomalia sta anticipando l’indice di riferimento, mentre i valori positivi indicano che sta seguendo. Ad esempio, un “lag” di -10 giorni significa che un particolare cambiamento è stato osservato 10 giorni prima dell’evento di riferimento.

In conclusione, questa serie di diagrammi fornisce una visione complessa di come i processi naturali e la geografia terrestre influenzino i movimenti a grande scala dell’atmosfera, offrendoci indizi su come questi possano tradursi in condizioni meteorologiche che viviamo quotidianamente.

Sequenze di Regressione Temporali: Come Evolvono le Anomalie della Circolazione

Per decifrare come si sviluppano nel tempo le anomalie nella circolazione atmosferica, gli scienziati si affidano a una tecnica nota come sequenze di regressione sfasate. Questo metodo impiega regressioni lineari di campi globali bidimensionali in relazione a indici temporali per tracciare le variazioni della circolazione atmosferica. Le sequenze 1-3 sono delle rappresentazioni grafiche di queste analisi, mostrando le anomalie del vento a 200 metri e della pressione al livello del mare quando messe in relazione con i tre indici discussi in precedenza.

Ciascuna di queste sequenze ha una durata e un intervallo temporale che mettono in luce l’importanza della sua scala temporale: 40 giorni con un intervallo di 10 giorni per la sequenza 1, 18 giorni con un intervallo di 4 giorni per la sequenza 2, e 8 giorni con un intervallo di 2 giorni per la sequenza 3. È stato scelto di mostrare i campi globali perché il monitoraggio indica che le interazioni substagionali si verificano su ampie fasce latitudinali, e sono spesso focalizzate intorno all’equatore.

Queste sequenze confermano la regola generale che a grandi scale spaziali corrispondono lunghe scale temporali. Oltre a ciò, emergono ulteriori dettagli familiari agli esperti di meteorologia e climatologia. Ad esempio, nella sequenza 1, si osserva la lenta propagazione verso est dei cicloni e anticicloni subtropicali associati all’MJO, da 20 giorni prima a 20 giorni dopo il punto centrale di riferimento. Proprio in questo punto centrale, troviamo una convezione intensa sopra il Pacifico occidentale equatoriale e una significativa tendenza positiva nell’AAM globale, con venti equatoriali di ponente già attivi sull’Emisfero Occidentale.

Nella sequenza 2, si assiste allo sviluppo di un modello di teleconnessione negativo del Pacifico-Nord America con onde di Rossby che si disperdono attraverso l’Asia e il Nord America lungo la durata di 18 giorni. Questo processo contribuisce notevolmente all’anomalia positiva del torque frizionale al giorno zero. Infine, la sequenza 3 rivela eventi rapidi di dispersione dell’energia concentrati sopra le catene montuose dell’Asia Orientale, del Nord America e del Sud America, che influenzano l’anomalia positiva del torque montano globale.

Queste sequenze mettono in evidenza come anche i modi più rapidi di variabilità, come quelli evidenziati nella sequenza 3, siano significativi nelle regioni tropicali, contraddistinti da anomalie del vento zonale che vanno dal numero d’onda 0 al numero d’onda 1 ai livelli superiori. Questi risultati sono in linea con i pattern sinottici che collegano le diverse tipologie di variabilità substagionale e arricchiscono i risultati precedentemente ottenuti per la relazione tra AAM globale e zonale, che costituiscono le fondamenta del modello in esame.

Modello Sinottico-Dinamico (GSDM)

La Figura 13 illustra le quattro fasi del Modello Sinottico-Dinamico (GSDM), posizionate idealmente a intervalli di circa 12 giorni l’una dall’altra, inserite in un contesto di oscillazione di 50 giorni attribuita alla MJO (Oscillazione Madden-Julian). Tali intervalli temporali sono piuttosto variabili, data l’ampia gamma di variazioni caratteristiche della banda sub-stagionale, rendendo possibile che le transizioni tra le diverse fasi avvengano in maniera piuttosto rapida. Un dettaglio importante da notare è che una rappresentazione completa dell’evoluzione temporale delle anomalie è fornita esclusivamente per la MJO.

Durante l’analisi, sono state esaminate ventidue mappe, corrispondenti a undici ritardi differenti sia per il primo che per il secondo EOF dell’OLR (Outgoing Longwave Radiation). Tra queste, i quattro ritardi rappresentati nella Figura 13 sono stati selezionati per illustrare efficacemente la MJO. Gli EOF, essendo in quadratura, evidenziano schemi simili quando vengono sfasati di circa 10 giorni l’uno dall’altro. La Tabella 2 dettaglia la correlazione tra le fasi del GSDM e i ritardi associati ai due EOF. Gli alti (H) e bassi (L) relativi agli altri componenti del sistema sono stati allocati a una fase specifica, seguendo il criterio definito come “grande tendenza AAM” (Angular Momentum Atmosferico), precedentemente discusso con riferimento alla Figura 9. In particolare, gli H e L colorati visualizzati nelle sequenze della Figura 11 e della Figura 12 sono stati utilizzati per finalizzare la struttura delle fasi del modello.

Fase 1: Dinamiche Climatiche e Variazioni Atmosferiche

La Fase 1 segna un momento cruciale nel comportamento dell’Oscillazione di Madden-Julian (MJO) e nel ciclo dell’indice F-M, evidenziando una sequenza peculiare nel modello studiato. Questa fase, insieme alla Fase 3, è identificata come una delle più stabili e persistenti nel modello della Modalità Sistemica Globale della Circolazione (GSDM). Durante questo periodo, un’estesa copertura di anticicloni anomali, innescati dal MJO, domina gran parte dell’emisfero orientale tropicale. Questi sono accompagnati da cicloni posizionati a valle nell’Oceano Pacifico occidentale subtropicale. Contemporaneamente, si osserva una concentrazione delle anomalie di convezione tropicale nell’Oceano Indiano orientale, fenomeno che deriva dall’intensificarsi dell’attività convettiva del MJO a partire dalla Fase 4.

Nei subtropici, emergono flussi anomali orientali che si estendono sul Pacifico occidentale e, in misura minore, sull’Atlantico. Queste anomalie non sono altro che l’amplificazione delle onde stazionarie, tipiche del clima invernale, che caratterizzano i tropici e i subtropici, nonostante un apparente ritiro del getto del Pacifico.

L’aspetto distintivo di questa fase è rappresentato dalle marcature H e L di colore marrone sull’emisfero nord, simboli del ciclo dell’indice F-M. Questi elementi sottolineano un modello PNA negativo, che emerge come tratto saliente della perturbazione del treno d’onde. I centri di circolazione di questa modalità stocastica si sincronizzano in modo approssimativo con alcune delle anomalie di circolazione legate al MJO, generando anomalie dei venti zonali orientali che, spaziando dalle latitudini subtropicali dell’Emisfero Occidentale ai tropici dell’Emisfero Orientale, conducono a valori estremamente bassi dell’AAM relativo. Questi flussi anomali, giungendo in superficie, favoriscono un torque frizionale positivo, preludio di un incremento dell’AAM e di una potenziale transizione verso la Fase 2.

Sebbene non rappresentato esplicitamente nei diagrammi, il quadro generale di variabilità sinottica anomala si accosta a quello tipico degli eventi La Niña, con un tracciato delle tempeste spostato verso nord e un’intensificazione dell’energia d’onda che penetra nei tropici. Ricerche hanno dimostrato che, in questa fase del MJO, la guida d’onda del Pacifico si rivela più “permeabile”, a causa di un flusso a getto attenuato e di venti occidentali che si estendono su un’ampia fascia latitudinale. Questo permette all’energia d’onda di diffondersi verso sud-est, influenzando l’ITCZ del Pacifico orientale e generando anomalie convettive che contribuiscono alla formazione di getti subtropicali. Questi ultimi, interagendo con la depressione degli Stati Uniti occidentali, inducono sviluppi baroclinici sulle Grandi Pianure.

In sintesi, la Fase 1 si distingue per una variazione settimanale tra intensi flussi meridionali e zonali durante l’inverno boreale, caratterizzata da transizioni da flussi meridionali a zonali in concomitanza con le onde barocline che tendono a rompersi in maniera anticiclonica sull’Oceano Pacifico orientale. Globalmente, questa fase incarna uno stato di base associato a La Niña, che si è rivelato favorevole all’incremento della varianza intrastagionale sull’Oceano Pacifico del Nord, così come alla prima fase del ciclo di vita (LC1, anticiclonico) dell’attività ondosa baroclinica.

10

la Figura 10 ci mostra una mappa dinamica del vento ad alta quota e delle variazioni di pressione atmosferica, catturando i movimenti più rilevanti che si verificano nell’atmosfera. Le frecce indicano la direzione del vento a circa 12 chilometri sopra la superficie terrestre, fornendo un’idea di dove l’aria è spinta più velocemente o più lentamente rispetto al normale.

L’ombreggiatura sulla mappa rappresenta le anomalie della pressione al livello del mare: le zone puntinate segnalano dove la pressione è insolitamente alta, e le zone con linee incrociate dove è insolitamente bassa. Gli “H” e gli “L” colorati aggiungono una dimensione ulteriore, indicando rispettivamente i vortici di alta e bassa pressione, che sono elementi critici nella formazione delle condizioni meteorologiche.

Importante è che vengono mostrate solo le anomalie del vento che hanno un significato statistico alto, cioè sono affidabili al 95%. Questo ci assicura che i pattern che stiamo guardando non sono frutto del caso, ma rappresentano veri segnali nel sistema climatico.

Quando confrontiamo gli “H” e gli “L” con i loro omologhi nella Figura 13, possiamo vedere come questi pattern specifici si inseriscano in un quadro più ampio di variazione climatica, come descritto nelle diverse fasi del GSDM riportate nella Tabella 2. Questa visione dettagliata è fondamentale per i meteorologi che lavorano per prevedere il tempo, offrendo indizi su come i cambiamenti nella circolazione ad alta quota possano riflettersi nelle condizioni meteorologiche che sperimentiamo qui al suolo.

La Figura 11 ci offre un’immagine che descrive come i sistemi di alta (H) e bassa (L) pressione siano associati al torque frizionale globale, un fattore chiave che influenza la circolazione dell’atmosfera. Le zone contrassegnate con la lettera “H” in marrone indicano regioni dove l’alta pressione è preminente, mentre gli “L” in marrone indicano regioni di bassa pressione. Questi non sono semplici segni statici ma rappresentano la dinamica atmosferica in evoluzione, mostrata qui attraverso una serie di “scatti” presi a intervalli di tempo diversi, o “lag”.

Il “lag” temporale ci dice quanto lontano nel passato (-14 giorni) o nel futuro (+4 giorni) ciascuno di questi pattern di pressione sia stato osservato rispetto a un evento centrale. Ciò fornisce una sorta di cronologia visiva che aiuta a capire in che modo le interazioni tra la Terra e l’atmosfera si sviluppano nel tempo e come questi processi influenzino la variazione del momento angolare dell’atmosfera.

Osservando i diversi pannelli, possiamo notare una sequenza di cambiamenti: i sistemi di alta e bassa pressione si muovono, crescono e si dissolvono, seguendo il ritmo imposto dal torque frizionale. Questo processo è rilevante perché l’attrito tra la Terra e l’atmosfera è un motore di cambiamento per il clima globale e può avere effetti significativi sulle previsioni meteorologiche a lungo termine.

La collocazione degli “H” e degli “L” marroni nelle fasi 1 e 3 del Modello Sistemico Globale della Circolazione (GSDM) nella Figura 13 sottolinea come le forze frizionali siano particolarmente influenti in questi stadi, contribuendo a plasmare i grandi sistemi climatici che determinano il tempo e le stagioni.

La Figura 12 è una finestra su come si sviluppano e si muovono i sistemi di alta e bassa pressione attraverso l’atmosfera nel corso del tempo, legati strettamente a fluttuazioni precise dell’Angolo di Momento Angolare Atmosferico (AAM) su un periodo di 30 giorni. Ciò che vediamo è una serie di mappature che indicano l’avanzare o il regredire di queste masse di aria, evidenziate con etichette “H” per le zone di alta pressione e “L” per quelle di bassa pressione, ciascuna marcata da una gradazione di tempo nota come “lag”.

I diversi “lag” ci mostrano una sorta di sequenza temporale, con i giorni che vanno da -4 a +4 rispetto a un punto di riferimento centrale. Questo ritardo temporale ci dice quando aspettarci che certi pattern atmosferici, come anticicloni e cicloni, raggiungano il loro apice o inizino a sfumare, in relazione a un indicatore medio del movimento rotatorio dell’atmosfera della Terra.

Gli anticicloni e i cicloni, qui colorati di verde, sono particolarmente significativi perché non solo rappresentano le condizioni meteorologiche del momento, ma anche perché indicano come queste condizioni potrebbero cambiare o evolvere. Questi pattern sinottici sono evidenziati come parte delle fasi 2 e 4 del Modello Sistemico Globale della Circolazione (GSDM), suggerendo che ci sono momenti specifici in cui il clima è particolarmente suscettibile a cambiamenti rilevanti.

Complessivamente, la Figura 12 fornisce un’indicazione preziosa per i meteorologi e i climatologi su come i movimenti atmosferici globali si traducano in cambiamenti climatici osservabili e prevedibili, aiutando a preannunciare condizioni meteorologiche che potrebbero avere un impatto diretto sulle nostre vite quotidiane.

13

La Figura 13 ci presenta una rappresentazione visiva delle quattro fasi del Modello Sistemico Globale della Circolazione (GSDM) nella stagione fredda dell’Emisfero Settentrionale. Ogni fase del GSDM è caratterizzata da un insieme distintivo di anomalie nella circolazione atmosferica e nelle aree di convezione, legate all’attività del fenomeno conosciuto come Oscillazione Madden-Julian (MJO).

Nella figura, diverse colorazioni e simboli ci aiutano a identificare e a differenziare le varie caratteristiche:

  • Le aree ombreggiate in rosso e blu segnalano rispettivamente le anomalie anticicloniche (alta pressione) e cicloniche (bassa pressione) a un’altezza di 200 millibar, indicando aree di pressione atmosferica più alta o più bassa rispetto alla media.
  • Le ombreggiature in nero e tratteggiato rappresentano zone di convezione intensificata o soppressa legate al MJO, mostrandoci dove l’aria è più attiva nell’innalzarsi o meno, contribuendo così alla formazione di nuvole e precipitazioni.
  • Gli “H” e gli “L” mostrano la posizione dei vortici anticiclonici e ciclonici anomali che risultano da queste aree di convezione.
  • Gli “H” e “L” più chiari delineano l’impatto diretto del MJO, mentre quelli più scuri indicano i treni d’onda collegati al MJO nella seconda fase.
  • Infine, gli “H” e “L” marroni e verdi illustrano rispettivamente i pattern di teleconnessione associati al torque frizionale e i treni d’onda su scala sinottica, dimostrando come influenze locali e remote possano interagire nel modello climatico.

Attraverso queste quattro fasi, possiamo vedere come l’atmosfera del nostro pianeta subisca cambiamenti e come questi si connettano alle variazioni nei modelli di precipitazione e nei sistemi meteorologici. La visualizzazione in questa figura aiuta i ricercatori a capire meglio come le dinamiche dell’alta atmosfera interagiscano con i fenomeni climatici a scala più ampia, fornendo indizi cruciali per le previsioni meteorologiche e per la comprensione dei cambiamenti climatici stagionali.

La Tabella 2 si rivela una guida utile per collegare le varie fasi del GSDM, che è un modello usato per interpretare la variabilità climatica, con specifici pattern della radiazione infrarossa lunga in uscita dall’atmosfera, che sono catturati dalle Funzioni Proprie Ortogonali (EOF). Le EOF ci aiutano a scomporre dati complessi in componenti più semplici, rivelando i principali modi in cui variano i dati, in questo caso, la radiazione infrarossa che è direttamente legata ai fenomeni convettivi come le nuvole e le tempeste.

In particolare, la tabella mostra la sequenza temporale di questi pattern rispetto a ogni fase del GSDM, offrendoci un quadro temporale di come la circolazione atmosferica e la convezione associata al MJO cambiano attraverso le quattro fasi:

  • Nella Fase 1, abbiamo un contributo significativo dal pattern identificato 15 giorni prima (EOF1, -15 giorni) e un effetto simultaneo da un secondo pattern (EOF2, giorno 0).
  • Nella Fase 2, il contributo maggiore deriva dal pattern identificato 10 giorni prima (EOF2, -10 giorni), con un’importante influenza dal pattern del giorno corrente (EOF1, giorno 0), la quale è illustrata nella Figura 10 riferita.
  • Nella Fase 3, è il pattern identificato esattamente 10 giorni dopo (EOF1, +10 giorni) a essere predominante, insieme a un contributo simultaneo da un altro pattern (EOF2, giorno 0), e anche questo viene mostrato nella Figura 10.
  • Infine, nella Fase 4, ci spostiamo ancora più avanti nel tempo con il pattern principale identificato 20 giorni dopo (EOF1, +20 giorni), accompagnato da un contributo del pattern identificato 10 giorni dopo (EOF2, +10 giorni).

La Figura 10 a cui fa riferimento la tabella offre una rappresentazione visiva basata solo su EOF1 per alcune di queste fasi, permettendo agli scienziati di visualizzare e capire meglio come questi pattern influenzino il tempo e il clima a scala globale. Questa comprensione è fondamentale per migliorare le previsioni meteorologiche e per comprendere i meccanismi alla base dei cambiamenti climatici stagionali.

Fase 2: Transizione Climatica e Interazioni Atmosferiche

La Fase 2 del Modello Sistemico Globale della Circolazione (GSDM) segna un periodo di transizione significativo, caratterizzato dal movimento dell’Oscillazione di Madden-Julian (MJO) verso la regione dell’Oceano Pacifico. Questa fase è notevole per la dispersione di energia su scala sinottica che contribuisce a creare forti torque montani positivi, un fenomeno che riflette una dinamica atmosferica complessa e interconnessa.

Durante questa fase, le anomalie di convezione positiva del MJO, che si trovavano precedentemente a ovest dei 120°E, si posizionano ora sopra il Pacifico occidentale, circa ai 150°E. Questo spostamento è stato identificato come un processo che può avvenire rapidamente, grazie all’azione di transitori tropicali ad alta frequenza, che sono stati in seguito classificati come onde Kelvin equatoriali accoppiate alla convezione. Questa transizione rappresenta non solo uno spostamento geografico ma anche un cambiamento nel pattern delle anomalie di circolazione del MJO, con l’emergere di anticicloni gemelli nel Pacifico occidentale e di cicloni gemelli che coprono il resto dei tropici, inclusa l’area dell’Oceano Indiano occidentale. Ciò simboleggia uno spostamento verso est del flusso climatologico abituale nei tropici e nei subtropici, sottolineando l’interconnettività dei sistemi climatici globali.

In questo contesto dinamico, gli H e L verdi simboleggiano modelli su scala temporale rapida che inducono un significativo torque montano positivo. Questi precedono un flusso zonale più forte nei subtropici, risultato delle oscillazioni di 10-30 giorni. L’interazione di questi fenomeni è particolarmente evidente nell’emisfero settentrionale, dove due treni d’onda asiatici si incontrano e si disperdono sopra il Pacifico occidentale. Analogamente, nell’emisfero australe, si osservano treni d’onda che generano torque montani positivi sulle Ande sudamericane e sugli altopiani africani.

La Fase 2 è spesso testimone di una transizione improvvisa verso nuove fonti di calore tropicale, da cui origina un’intensa attività di onde di Rossby transienti. Queste nuove fonti di calore, situate sull’Oceano Indiano orientale e sul Pacifico occidentale, influenzano significativamente la circolazione atmosferica. In particolare, sul Pacifico occidentale, si osserva la formazione di anticicloni a livello superiore che interagiscono con i sistemi meteorologici delle medie latitudini, innescando potenzialmente un treno d’onda in espansione attraverso l’Oceano Pacifico e oltre, attraverso il Nord America.

Questa complessa rete di interazioni climatiche e atmosferiche, illustrata dalla Fase 2, evidenzia la fluidità e l’interdipendenza dei sistemi meteorologici su scala globale. Gli H e L verdi fungono da precursori degli H e L grigi scuri, segnando la continuità e l’evoluzione dei modelli climatici. La comprensione di questi processi offre una prospettiva preziosa sulla dinamica climatica globale, sottolineando l’importanza delle interazioni tropico-extratropicali e della variabilità atmosferica su scale temporali rapide.

Fase 3: Modificazioni Climatiche e Variabilità Atmosferica

Nel contesto del Modello Sistemico Globale della Circolazione (GSDM), la Fase 3 segna un momento critico caratterizzato dallo spostamento verso est dell’anomalia di convezione. Questo movimento porta a modificazioni significative nel flusso climatologico normale di inverno nei Tropici e nei subtropici, indebolendolo, ma contemporaneamente estende e rafforza il getto atmosferico attraverso l’Oceano Pacifico. In questo scenario, gli H e L marroni che fungono da ponte tra l’Asia e il Nord America si allineano ora con un modello PNA (Pacific-North American) positivo, evidenziando una dinamica atmosferica complessa e in evoluzione.

Un forte flusso zonale diviene evidente a 35°N sull’Emisfero Occidentale e, parallelamente, nei Tropici dell’Emisfero Orientale. Questa configurazione risulta dalla sinergia tra l’Oscillazione di Madden-Julian (MJO) e il ciclo dell’indice F-M su una scala temporale intermedia, che insieme modellano il comportamento atmosferico durante questa fase.

Il percorso delle tempeste, spostandosi più a sud rispetto al solito sull’Oceano Pacifico, diventa una fonte potenziale per eventi di pioggia estrema lungo la Costa Occidentale degli Stati Uniti. È inoltre frequente l’osservazione di fenomeni di rottura delle onde cicloniche sull’Oceano Pacifico orientale, a monte del Nord America, che contribuiscono alla complessità delle interazioni atmosferiche in questo periodo.

La Fase 3 è descritta come uno stato di base che riflette le condizioni tipiche di un evento “El Niño”. Benché i pattern atmosferici presenti durante questa fase siano contrapposti a quelli osservati nella Fase 1, si nota che la variabilità sinottica tende generalmente ad essere meno estrema. Questa fase segnala quindi un periodo di transizione, dove le anomalie climatiche e le dinamiche atmosferiche sottolineano la mutevolezza e l’interdipendenza dei sistemi climatici globali, offrendo un quadro più dettagliato della complessa macchina climatica che governa il nostro pianeta.

Fase 4: Inversione di Tendenza e Dinamiche Atmosferiche

La Fase 4 del ciclo di vita dell’Oscillazione di Madden-Julian (MJO) si caratterizza per le sue analogie con la Fase 2, sebbene si distingua per il segno opposto delle sue anomalie e per la sua collocazione temporale leggermente anticipata nel ciclo del MJO. Un esempio emblematico di questa fase si osserva nell’area dell’Indonesia occidentale, dove persiste una convezione soppressa, contrariamente a quanto avviene nella Fase 2, dove la convezione potenziata si posiziona più a est.

Durante la Fase 4, le anomalie di circolazione generate dal MJO provocano uno spostamento verso ovest del flusso climatologico invernale tipico dei Tropici e dei subtropici. Nell’Oceano Indiano, il processo di transizione dei forti cicloni subtropicali della Fase 3 in anticicloni si accompagna alla rinnovata attività convettiva nella regione centrale dell’Oceano. Questa fase è contraddistinta dalla presenza di tre principali centri di convezione del MJO: ad est della linea internazionale del cambio di data, sopra il Sud America e nella regione Africa/Oceano Indiano occidentale.

Nel contesto sinottico, la Fase 4 si manifesta attraverso una sequenza di L e H verdi, che rappresentano la fase opposta rispetto a quella osservata nella Fase 2. La dinamica del treno d’onda del sud asiatico è influenzata dall’anomalia di convezione situata a sud e a est dell’anticiclone anomalo vicino ai 60°E. Questo treno d’onda si sincronizza con un altro treno d’onda presente nella guida d’onda del nord asiatico, generando un torque montano negativo, per poi disperdersi insieme verso est e amplificarsi attraverso il Pacifico del Nord fino al Nord America.

La combinazione di torque montano e frizionale negativo derivante dall’MJO e di torque montano negativo legato alla dispersione su scala sinottica determina una marcata tendenza negativa dell’Angolo Assiale di Momento Angolare (AAM), inaugurando un periodo caratterizzato dalla riduzione del flusso zonale nell’atmosfera. Questa fase rappresenta un momento significativo nel ciclo climatico, segnando un’inversione rispetto alle tendenze precedenti e influenzando le dinamiche atmosferiche su scala globale.

Il Ciclo Combinato dell’Angolo di Momento Angolare Atmosferico (AAM)

Recenti studi diagnostici basati su dati di ri-analisi hanno ampliato la nostra conoscenza riguardante il bilancio sub-stagionale dell’Angolo di Momento Angolare Atmosferico (AAM) sia a livello globale che zonale. Questi studi hanno evidenziato che, nel contesto del bilancio globale, i torque montani sono i principali motori delle anomalie dell’AAM, mentre il torque frizionale agisce per smorzarle. Interpretando questi risultati attraverso l’analisi di Fourier, emerge che il torque frizionale ha la precedenza sul torque montano, un tratto distintivo di tutta la variabilità sub-stagionale.

Il bilancio zonale introduce l’importanza dei trasporti dell’AAM, che risultano essere nulli quando considerati in un’integrazione globale. I trasporti meridionali stabiliscono un collegamento diretto con la struttura e l’orientamento delle depressioni e dei rilievi all’interno dei modelli spaziali illustrati. È stato osservato che le anomalie dell’AAM zonale sub-stagionale esibiscono una propagazione ben sviluppata sia verso i poli che verso il basso, estendendosi dalla tropopausa equatoriale fino alla superficie solida subtropicale. Nonostante queste conoscenze, restano numerose incertezze dinamiche riguardo al contributo di vari meccanismi a questo processo. Per esempio, è stato suggerito che il trasporto verticale del momento angolare zonale, legato alla struttura dei complessi convettivi mesoscala organizzati, possa giocare un ruolo rilevante.

Tuttavia, l’analisi del bilancio zonale dell’AAM non fornisce risposte chiare, poiché risulta essere sbilanciato sia nelle ri-analisi del NCEP–Centro Nazionale per la Ricerca Atmosferica (NCAR) che in quelle del Centro Europeo per le Previsioni Meteorologiche a Medio Termine (ECMWF). La convergenza del flusso medio zonale dell’AAM relativo è significativamente maggiore rispetto alla somma dei torque medi zonali, anche includendo i torque di Coriolis e il drag delle onde di gravità. Questo fenomeno porta a un errore sistematico a forma di dipolo nel bilancio zonale dell’AAM, come dimostrato dall’analisi.

Più che focalizzarci sul dettaglio del bilancio dell’AAM, il nostro interesse in questa sezione è quello di utilizzarlo come strumento per evidenziare ulteriori caratteristiche del Modello Sistemico Globale della Circolazione (GSDM) e per mettere in relazione i suoi modelli spaziali con il ciclo combinato dell’AAM. Le caratteristiche di questo ciclo sono sintetizzate e l’analisi della regressione ritardata dell’AAM globale e zonale, insieme alla convergenza del flusso dell’AAM e ai torque montano e frizionale, è stata condotta sui dati giornalieri della tendenza relativa dell’AAM globale per i mesi di novembre-marzo dal 1979 al 1995. Questo studio ha permesso di tracciare le posizioni approssimative delle fasi del GSDM, fornendo un quadro complesso e dettagliato delle dinamiche atmosferiche in gioco.

Analisi del Comportamento Temporale nel Ciclo Combinato dell’AAM

Dando seguito alla nostra discussione sul Ciclo Combinato dell’Angolo di Momento Angolare Atmosferico (AAM), la Figura 13 posizionava gli alti (H) e i bassi (L) derivanti da diverse scale temporali nelle quattro fasi senza però tenere conto del reale comportamento temporale che ne poteva derivare. La Figura 14, approfondendo questa analisi, presenta in media il comportamento dei campi medi globali e zonali attraverso una regressione sull’indice che racchiude tutte le componenti del Modello Sistemico Globale della Circolazione (GSDM), ovvero la tendenza giornaliera relativa dell’AAM globale. Questo comportamento temporale si rivela nettamente asimmetrico rispetto allo zero lag, un aspetto prevedibile, soprattutto a causa dell’influenza del ciclo dell’indice F–M su scala temporale intermedia.

Durante la fase 1, osservabile nella Figura 14 prima del giorno -5, si evidenzia una fase di accumulo caratterizzata dalla persistenza di diversi processi e da una graduale diminuzione (e un corrispondente aumento) nell’anomalia dell’AAM relativo (e nel torque frizionale) a causa di un torque montano negativo. Questo scenario si manifesta all’inizio del ciclo di vita del MJO, quando le anomalie di convezione positiva prevalgono sull’Oceano Indiano e l’effetto della scala temporale intermedia si traduce in un PNA negativo, con un incremento dei torque frizionali positivi (come mostrato nella Figura 14c).

Una svolta o un indebolimento improvviso di tutte le anomalie si registra intorno al giorno -2, guidato presumibilmente da un’inversione nel trasporto meridionale dell’AAM oltre i 30°N, che passa da un movimento polare a uno equatoriale. Questo fenomeno coincide con il picco delle anomalie di flusso zonale orientale nei subtropici a 25°N. Parallelamente, il treno d’onda predominante nel GSDM transita da un modello di teleconnessione su scala temporale intermedia (fase 1) a uno dominato da pacchetti d’onda su scala temporale rapida (fase 2), che contribuisce a invertire il torque montano e inizia il cambiamento nei trasporti meridionali. La Figura 14b illustra una sorgente di momento legata ai trasporti che va dai subtropici settentrionali a quelli meridionali, mentre il MJO affronta una fase di transizione, con la convezione tropicale che si sposta dall’Oceano Indiano alla regione dell’Oceano Pacifico occidentale.

Un’ulteriore azione dei torque da parte del MJO potrebbe quindi sostentare l’oscillazione osservata. La Figura 14a dimostra che dopo il giorno 0 si assiste nuovamente a anomalie più smorzate, rispecchiando il ritmo del ciclo dell’indice F–M, e segnalando così un intricato intreccio di processi dinamici atmosferici che caratterizzano il ciclo combinato dell’AAM all’interno del contesto più ampio del GSDM.

Continuando l’analisi delle dinamiche climatiche legate al Ciclo Combinato dell’Angolo di Momento Angolare Atmosferico (AAM), emergono interessanti variazioni nel comportamento dell’atmosfera tra le varie fasi del ciclo. Durante l’oscillazione, assistiamo a un alternarsi di anomalie di flusso orientale e occidentale, che si propagano dalle regioni equatoriali verso i subtropici, riflettendo l’evoluzione del MJO insieme a una modulazione data da variazioni di 10-30 giorni. Questa danza atmosferica raggiunge un punto di minimo globale dell’AAM nella Fase 1, caratterizzata dall’allontanamento dall’equatore delle anomalie negative dell’AAM, o anomalie di vento orientale, accompagnate da una bassa pressione a livello del mare nei tropici.

Procedendo verso la Fase 2, queste anomalie orientali si spostano verso i subtropici, attenuandosi sull’equatore mentre la pressione tropicale a livello del mare inizia a salire, segnalando una convezione attiva del MJO sul Pacifico occidentale. Nella Fase 3, si osserva un cambio di direzione delle anomalie di flusso, che da orientali diventano occidentali e si elevano dall’equatore. In questo momento, la pressione tropicale a livello del mare è alta e l’AAM globale raggiunge il suo apice, anche se la convezione vicino alla linea del cambio di data è fortemente soppressa sull’Oceano Indiano, effetto combinato del MJO e delle oscillazioni di 10-30 giorni.

La conclusione del ciclo avviene nella Fase 4, con le anomalie di vento occidentale che si distaccano dall’equatore e la convezione che diviene vivace in tre centri distinti. In questo contesto, il torque frizionale assume un ruolo preponderante nelle fasi 1/2 e 3, in cui le anomalie si mostrano più persistenti rispetto alle fasi 2 e 4. Dal punto di vista sinottico, la Fase 1 si distingue per i vigorosi venti alisei e per un flusso occidentale che si sposta verso nord, particolarmente marcato sugli oceani Atlantico e Pacifico. Occasionalmente, fenomeni di blocco atmosferico possono accentuare il torque mediante anomalie di flusso orientale ampie e spostate più a nord.

Durante le fasi 2 e 4, si manifesta un incremento del torque montano, fasi che si caratterizzano per essere più transitorie e coinvolgere scale temporali più brevi. Nel caso dell’emisfero australe, il torque montano positivo è attribuibile alla presenza delle Ande e si sviluppa in concomitanza con lo spostamento della convezione verso il Pacifico occidentale tra le fasi 1 e 2. Nell’emisfero settentrionale, invece, il torque montano positivo emerge a est dell’Altopiano Tibetano e viene accompagnato da irruzioni di aria fredda, seguendo lo spostamento della convezione verso il Pacifico occidentale. Questa complessa interazione tra i vari componenti atmosferici evidenzia l’interdipendenza tra fenomeni localizzati e dinamiche climatiche globali nel quadro del GSDM.

Riassunto e Conclusioni: Un Modello per il Monitoraggio e la Previsione del Clima Meteorologico

Abbiamo sviluppato un modello sinottico-dinamico per la variabilità sub-stagionale, progettato per migliorare sia il monitoraggio del clima meteorologico che la valutazione delle previsioni a medio raggio. Questo strumento si rivela particolarmente utile per analizzare le variazioni quotidiane sub-stagionali e per orientare le previsioni che spaziano da 3 giorni a 3 settimane. Benché il GSDM sia stato originariamente concepito per la stagione fredda dell’Emisfero Settentrionale, i processi che lo caratterizzano sono attivi durante tutto il ciclo stagionale. Ad esempio, durante l’estate boreale, le anomalie di circolazione e convettive del MJO tendono a spostarsi a nord-ovest, espandendosi significativamente nell’Emisfero Australe (inverno), dove troviamo anche analoghi estivi del treno d’onda della fase 2. Prevediamo di estendere l’applicazione di questo approccio ad altre stagioni in futuri studi, seguendo anche le indicazioni fornite da Newman e Sardeshmukh (1998) sulla variabilità delle risposte e delle forze stagionali.

Concentrandoci sulla tendenza relativa globale dell’AAM, si facilita la costruzione del GSDM, pur ammettendo che ciò possa rendere meno nitidi i modelli di anomalia regionale e le loro interconnessioni. Supportati dalla regressione ritardata della funzione di corrente a 200 mb e dei campi OLR sulla tendenza giornaliera dell’AAM, abbiamo potuto osservare che le variazioni composite attorno al giorno zero (fase 2) risultano dalla sovrapposizione di forze operative su diverse scale temporali, influenzando significativamente la tendenza dell’AAM globale. Attraverso questo approccio, abbiamo identificato le scale temporali dominanti che influenzano la tendenza globale dell’AAM e le fasi preferenziali che conducono a significative tendenze temporali. Questo si traduce nel fatto che le fasi 2 e 4 presentano specifiche fasi del componente a breve termine, mentre nelle fasi 1 e 3 si notano variazioni più generali dei percorsi delle tempeste.

Il GSDM diventa quindi uno strumento prezioso quando usato insieme al monitoraggio quotidiano in tempo reale di una vasta gamma di indici, mappe e previsioni climatiche meteorologiche, che spaziano dai pattern su larga scala delle temperature superficiali del mare (SST) ai cicli di vita baroclinici in atto o alle onde di Kelvin tropicali convettivamente accoppiate. La presenza di molteplici scale temporali favorisce transizioni rapide nella circolazione tropicale ed extratropicale, rappresentando una sfida per i modelli di circolazione generale operativi (GCM) e potenzialmente generando significativi errori di previsione. L’analisi di caso del periodo 2001-02 ha esaminato due di queste transizioni, sottolineando la loro relazione con la forzante tropicale derivante da due eventi MJO e dai torque montani in latitudini medie, evidenziando un collegamento tra il MJO, i treni d’onda extratropicali e i processi d’onda baroclinica che interessano la regione del Pacifico-Nord Americano. Queste transizioni includevano una rottura d’onda ciclonica (anticiclonica) che ha inaugurato una fase di correnti occidentali subtropicali forti (deboli) e un pattern PNA positivo (negativo), dimostrando l’interdipendenza tra fenomeni localizzati e pattern climatici su scala globale.

la Tabella 3 che riassume le fasi del Modello Sistemico Globale della Circolazione (GSDM).

La Tabella 3 ci guida attraverso le quattro distinte fasi del GSDM, ognuna con i suoi tratti distintivi in termini di comportamento meteorologico e climatico:

  • Fase 1: Qui vediamo un periodo in cui l’attività convettiva legata al MJO è evidente nell’emisfero orientale. Il modello climatico in questa fase tende a ricordare le condizioni tipiche di La Niña, con una pressione atmosferica più bassa ai tropici e venti forti che possono causare eventi meteorologici intensi nelle Grandi Pianure degli USA.
  • Fase 2: In questa fase, l’attività convettiva si sposta più a est, e il clima subisce un cambiamento con un’affievolimento della pressione alta subtropicale. Questo sposta la traiettoria delle tempeste verso il polo e può portare a significative precipitazioni lungo la costa occidentale degli Stati Uniti.
  • Fase 3: La convezione si posiziona vicino alla linea internazionale del cambio di data, e si osserva un clima con alta pressione ai tropici e un momento angolare globale che tocca il suo picco. Tuttavia, la convezione è notevolmente ridotta nell’Oceano Indiano a causa delle influenze combinate del MJO e delle variazioni su scala più breve.
  • Fase 4: Quest’ultima fase segna un periodo di transizione con la convezione del MJO che si estende attraverso l’emisfero occidentale e si prepara a ritornare alla Fase 1. Durante questa fase, si possono verificare eventi meteorologici significativi nel sud-ovest degli USA.

Ogni fase è collegata a specifici modelli di circolazione atmosferica e attività convettiva, influenzando così le condizioni del clima globale e la previsione del tempo a medio termine. Le fasi del GSDM aiutano i meteorologi a comprendere e prevedere meglio la complessa rete di interazioni che governa il sistema climatico terrestre.

La Figura 14 si presenta come un’analisi approfondita che esamina le anomalie atmosferiche legate all’Angolo di Momento Angolare Atmosferico (AAM) e ai torque associati nel periodo tra novembre e marzo del 1979 al 1995. Questa analisi è stata effettuata attraverso una tecnica statistica nota come regressione ritardata, che mette in relazione la tendenza quotidiana dell’AAM con variazioni che avvengono in tempi successivi.

Nel dettaglio, la figura è divisa in quattro parti:

  1. AAM Totale (a): Qui vediamo come l’AAM totale, che comprende sia la componente globale che quella zonale, oscilla nel tempo. I contorni e le ombreggiature indicano l’intensità e la direzione delle anomalie zonali, mentre le curve rivelano il comportamento dell’AAM a livello globale. In termini semplici, ci mostra l’ampiezza e la direzione del “girare” dell’atmosfera terrestre durante i vari periodi analizzati.
  2. Convergenza del Flusso dell’AAM (b): Questa sezione evidenzia le aree dove il trasporto di AAM dall’atmosfera verso la Terra è maggiore o minore, indicando regioni dove l’atmosfera aggiunge o toglie ‘spin’ alla Terra.
  3. Torque Frizionale (c): Il torque frizionale è una misura di come l’attrito tra la Terra e l’atmosfera influisce sull’AAM. Questo grafico mostra dove e quanto questo effetto frizionale agisce per accelerare o rallentare il movimento rotatorio dell’atmosfera.
  4. Torque Montano (d): Infine, il torque montano rappresenta l’influenza delle montagne sulla circolazione dell’atmosfera, dove il rilievo terrestre può aumentare o diminuire la quantità di ‘spin’ nell’atmosfera.

In tutte e quattro le sezioni, la figura ci permette di visualizzare come questi fattori cambiano nel tempo e la loro correlazione con la tendenza dell’AAM globale. Al di sotto del grafico, sono indicate le fasi 1-4 del ciclo GSDM, che aiutano a contestualizzare quando certi pattern si verificano in relazione a questo ciclo climatico più ampio. Questo tipo di analisi è cruciale per comprendere meglio i pattern meteorologici globali e per migliorare la precisione delle previsioni meteorologiche a medio termine.

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