Risposta Climatica a Fenomeni di Riscaldamento e Raffreddamento su Scala Bacino dell’Oceano Atlantico Settentrionale

Lo studio “Climate Response to Basin-Scale Warming and Cooling of the North Atlantic Ocean” di Rowan T. Sutton e Daniel L. R. Hodson si propone di investigare in maniera approfondita come il sistema climatico risponde a variazioni significative della temperatura superficiale del mare (SST) nell’Oceano Atlantico settentrionale, un’area di cruciale importanza per il trasporto di calore e per l’interazione tra l’oceano e l’atmosfera. In particolare, gli autori esplorano scenari in cui vengono imposte anomalie di riscaldamento e raffreddamento su scala bacinale, al fine di comprendere i meccanismi fisici e dinamici alla base delle risposte climatiche a tali forzature.

Il contesto scientifico alla base dello studio è fortemente motivato dal ruolo centrale che l’Oceano Atlantico, e in particolare la sua parte settentrionale, svolge nel sistema climatico globale. Quest’area, grazie a processi come la formazione delle acque profonde e alla presenza di correnti calde come la Corrente del Golfo, agisce da importante “regolatore termico” per le regioni circostanti, inclusa l’Europa. Pertanto, alterazioni della distribuzione termica in quest’area possono indurre cambiamenti significativi non solo a livello regionale ma anche in termini di teleconnessioni climatiche che influenzano la circolazione atmosferica globale.

Per indagare queste dinamiche, gli autori hanno adottato un approccio sperimentale basato su simulazioni numeriche utilizzando modelli climatici avanzati. Nelle loro esperienze, sono state imposte anomalie di temperatura superficiale del mare in corrispondenza del bacino dell’Atlantico settentrionale, simulando sia scenari di riscaldamento che di raffreddamento. Tale metodologia consente di isolare e analizzare in modo controllato la risposta dell’atmosfera alle variazioni forzate della SST, permettendo di identificare i processi chiave che mediano la retroazione tra l’oceano e l’atmosfera.

Una parte centrale dell’analisi riguarda la valutazione delle risposte della circolazione atmosferica. Le simulazioni evidenziano come il riscaldamento e il raffreddamento del bacino atlantico possano alterare la posizione e l’intensità del jet stream, influenzando di conseguenza la dinamica dei sistemi meteorologici a media latitudine. Ad esempio, un riscaldamento del Nord Atlantico tende a modificare il gradiente termico che, a sua volta, può portare a spostamenti nelle traiettorie dei fronti e dei cicloni, modificando così i pattern di precipitazione e la distribuzione delle temperature nelle regioni circostanti. Al contrario, scenari di raffreddamento mostrano una risposta differente, che evidenzia la presenza di asimmetrie nella reazione del sistema climatico rispetto alle anomalie SST.

Un ulteriore aspetto cruciale analizzato nello studio riguarda la non linearità della risposta climatica. I risultati indicano che la relazione tra l’entità delle anomalie SST e la risposta atmosferica non è semplicemente proporzionale, ma è caratterizzata da retroazioni complesse che possono amplificare o attenuare l’effetto iniziale. Tali retroazioni comprendono, ad esempio, le modifiche nel bilancio radiativo e le interazioni tra forzature dinamiche e termiche, elementi fondamentali per comprendere la sensibilità del sistema climatico alle perturbazioni.

Gli autori discutono anche l’importanza delle teleconnessioni, ossia i collegamenti a lunga distanza tra le anomalie locali di SST e le variazioni in altre regioni del globo. Il riscaldamento o il raffreddamento del Nord Atlantico, infatti, si manifesta non solo attraverso cambiamenti locali ma anche tramite influenze che si propagano lungo le correnti aeree e i pattern di circolazione globale, incidendo su fenomeni come l’oscillazione atlantica (NAO) e su altri indici climatici. Questa caratteristica sottolinea come una modifica in una singola area del bacino atlantico possa avere impatti a catena, evidenziando l’interdipendenza dei vari componenti del sistema climatico.

Dal punto di vista metodologico, lo studio si distingue per l’uso di esperimenti numerici che consentono di “decomporre” la complessità del sistema climatico, analizzando in maniera dettagliata le risposte sia nella componente termica che in quella dinamica. L’adozione di simulazioni con anomalie SST controllate permette agli autori di valutare l’importanza relativa di diversi meccanismi di retroazione, offrendo così spunti preziosi per migliorare le rappresentazioni numeriche all’interno dei modelli climatici. Tale approccio è particolarmente rilevante nell’ottica di affinare le previsioni climatiche, soprattutto in un’epoca in cui i cambiamenti globali richiedono una comprensione sempre più accurata delle dinamiche di interazione tra oceano e atmosfera.

Le conclusioni a cui giunge lo studio sono di notevole rilevanza per la comunità scientifica. Innanzitutto, viene evidenziato che le anomalie di SST nell’Oceano Atlantico settentrionale possono agire come un “catalizzatore” di cambiamenti climatici, influenzando la circolazione atmosferica su scala globale. Inoltre, la presenza di risposte non lineari e asimmetriche nei confronti di riscaldamento e raffreddamento suggerisce la necessità di includere tali complessità nelle future simulazioni climatiche e nelle proiezioni sui cambiamenti futuri. Questo aspetto è fondamentale per sviluppare strategie di adattamento e mitigazione che siano effettivamente in grado di rispondere alle sfide poste dalle variazioni climatiche in atto.

Infine, lo studio di Sutton e Hodson contribuisce a colmare alcune lacune nella comprensione dei meccanismi di interazione tra l’oceano e l’atmosfera, offrendo un quadro dettagliato delle modalità con cui le anomalie termiche su scala bacinale si traducono in variazioni dinamiche e termiche a livello globale. Tale contributo si inserisce in un più ampio sforzo della comunità scientifica volto a migliorare la nostra capacità di prevedere e interpretare i complessi processi che regolano il clima terrestre, rafforzando l’importanza di studi multidisciplinari che integrino osservazioni, modelli teorici e simulazioni numeriche.

Risposta Climatica a Fenomeni di Riscaldamento e Raffreddamento su Scala Bacino dell’Oceano Atlantico Settentrionale ROWAN T. SUTTON e DANIEL L. R. HODSON Istituto Walker per la Ricerca sul Sistema Climatico, Università di Reading, e Centro Nazionale per le Scienze Climatiche—Clima, Reading, Regno Unito (Manoscritto ricevuto il 16 dicembre 2005, in forma definitiva il 5 luglio 2006)

ABSTRACT

Mediante l’impiego di simulazioni effettuate con un modello di circolazione generale dell’atmosfera, il presente studio esamina le conseguenze climatiche indotte da fenomeni di riscaldamento e raffreddamento su scala del bacino dell’Oceano Atlantico Settentrionale. Tali fluttuazioni climatiche, osservate durante il ventesimo secolo, presentano caratteristiche simili a variazioni ancor più marcate ritenute verificatesi in epoche precedenti. È stato rilevato che, in ogni stagione dell’anno, la risposta climatica al riscaldamento dell’Atlantico Settentrionale è più pronunciata, in termini di rapporto segnale/rumore, nella regione tropicale. Si evidenzia tuttavia un marcato ciclo stagionale negli impatti climatici.

La più intensa risposta si manifesta durante l’estate boreale, caratterizzata da una diminuzione delle precipitazioni e un incremento delle temperature nelle aree tropicali e subtropicali del Nord e Sud America. Nei mesi di agosto, settembre e ottobre si osserva una riduzione significativa dello shear verticale nell’area di sviluppo principale degli uragani atlantici. Durante i mesi invernali e primaverili, le anomalie termiche registrate nelle regioni extratropicali sono influenzate principalmente da variazioni dinamiche nella circolazione atmosferica, piuttosto che da una mera risposta termodinamica al riscaldamento o raffreddamento delle acque oceaniche.

La risposta del clima tropicale è prevalentemente determinata dalle anomalie della temperatura superficiale del mare (SST) in ambito tropicale, con dinamiche che corrispondono ai modelli elementari di reazione della circolazione tropicale ad anomalie di riscaldamento diabatico. La risposta climatica delle regioni extratropicali è condizionata sia dalle anomalie delle SST tropicali che da quelle delle latitudini superiori, evidenziando una sensibilità non lineare al segno della forzatura delle SST. Le comparazioni con le variazioni multidecadali della pressione atmosferica a livello del mare registrate nel ventesimo secolo confermano che l’impatto delle variazioni delle SST dell’Atlantico Settentrionale è predominante in estate, ma rivelano anche un’influenza significativa nelle basse latitudini durante l’autunno e l’inverno.

Gli effetti climatici significativi non si limitano al bacino atlantico, suggerendo che l’Oceano Atlantico possa rappresentare un elemento chiave nella guida della variabilità decennale globale. Gli impatti più estesi si verificano nella regione del Pacifico tropicale nei periodi giugno-agosto e settembre-novembre. Le anomalie superficiali in quest’area possono innescare feedback accoppiati oceano-atmosfera, che si prevede svolgeranno un ruolo cruciale nel modellare la risposta climatica complessiva.

1. Introduzione

L’oceano, grazie alla sua notevole capacità termica e al movimento estremamente lento, assume un ruolo cruciale nella variabilità climatica a bassa frequenza. Tra le varie porzioni oceaniche, l’Oceano Atlantico riveste un interesse particolare, poiché il Nord Atlantico è una delle rare regioni del pianeta in cui avviene la formazione di acque profonde. Questo processo è fondamentale per la circolazione di rivolgimento globale, che a sua volta svolge un ruolo essenziale nel trasporto di calore verso i poli da parte degli oceani. Le evidenze paleoclimatiche indicano che la circolazione meridionale dell’Atlantico (MOC) ha sperimentato variazioni ampie e talvolta rapide, come documentato da McManus et al. (2004). Queste variazioni sono state presumibilmente innescate da immissioni di acqua dolce nelle alte latitudini settentrionali, secondo quanto riportato da Vidal et al. (1997), e sono state correlate a significativi cambiamenti climatici, inclusi i marcanti raffreddamenti dell’area atlantica settentrionale (Vellinga e Wood, 2002).

Durante il ventesimo secolo, le temperature della superficie del mare (SST) nell’Atlantico Nord hanno manifestato fluttuazioni multidecadali pronunciate, alternandosi tra fasi calde e fredde, come evidenziato in numerosi studi (Bjerknes, 1964; Folland et al., 1986; Parker et al., 1991; Kushnir, 1994; Schlesinger e Ramankutty, 1994; Mann e Park, 1994; Delworth e Mann, 2000; Enfield et al., 2001; Sutton e Hodson, 2005, in seguito SH05; Knight et al., 2005). Queste variazioni, sebbene modeste in confronto ai segnali paleoclimatici, risultano significative rispetto alla variabilità interannuale. È stato ipotizzato che tali oscillazioni siano state causate da variazioni nella MOC (Delworth e Mann, 2000; Knight et al., 2005). Il termine “Oscillazione Multidecadale dell’Atlantico” (AMO) fu coniato da Kerr (2000) per descrivere questo pattern persistente nel clima del settore atlantico, considerato un elemento della variabilità interna del sistema climatico. Tuttavia, è plausibile che le temperature superficiali dell’Atlantico siano state influenzate anche da forzanti esterne. Rotstayn e Lohmann (2002) hanno sostenuto che, nel corso del ventesimo secolo, una combinazione di forzanti antropogeniche, quali aerosol di solfato e gas serra, potrebbe aver indotto un contrasto SST interemisferico che rispecchia il pattern dipolare tipico dei cambiamenti nella MOC. Inoltre, è probabile che l’incremento dei gas serra abbia avuto un ruolo nel recente riscaldamento dell’Atlantico Nord.

Indipendentemente dalle loro cause, le fluttuazioni multidecadali recentemente osservate nelle SST dell’Atlantico sono state associate a importanti anomalie climatiche. Johannessen et al. (2004), seguendo gli studi di Delworth e Knutson (2000), hanno dimostrato che durante gli anni ’30 e ’40, concomitanti a condizioni calde nell’oceano Atlantico Nord, le temperature dell’aria superficiale alle alte latitudini (in particolare oltre il 60°N) sono aumentate fino a 1°C nella media zonale e oltre 3°C localmente durante l’inverno. Analogamente, Enfield et al. (2001) e McCabe et al. (2004) hanno rilevato che tali condizioni calde sono correlate con una diminuzione delle precipitazioni estive e un incremento della frequenza di siccità in ampie aree degli Stati Uniti.

Le oscillazioni nel regime termico delle superfici oceaniche dell’Atlantico, caratterizzate da variazioni simil-AMO (Oscillazione Multidecadale dell’Atlantico), sono state identificate come una delle influenze determinanti nella variabilità decennale delle precipitazioni nel Sahel, come documentato da Folland et al. nel 1986, nonché nell’attività ciclonica, evidenziata da Goldenberg et al. nel 2001. Successivamente, Delworth e Mann, nel 2000, proseguendo sulle indagini iniziate da Kushnir nel 1994, hanno fornito ulteriori evidenze di variazioni correlate all’AMO nella pressione atmosferica a livello del mare (SLP), implicando così modifiche sostanziali nella circolazione atmosferica della regione atlantica settentrionale.

Gli studi che utilizzano modelli climatici accoppiati hanno ulteriormente corroborato l’ipotesi che le trasformazioni nell’Oceano Atlantico Nord possano esercitare un impatto significativo sul clima globale. Ad esempio, gli esperimenti focalizzati sulla cessazione della circolazione meridionale dell’Atlantico (MOC), come quelli condotti da Vellinga e Wood nel 2002 e da Dong e Sutton nello stesso anno, hanno consistentemente rivelato la formazione di un contrasto interemisferico nelle anomalie termiche dell’aria superficiale, con conseguenze rilevanti anche sulle precipitazioni, in particolar modo nella regione dei Tropici. Tali impatti climatici non si limitano alla sola area atlantica ma si manifestano a livello globale entro pochi anni, come dimostrato nelle ricerche di Dong e Sutton (2002) e Zhang e Delworth (2005).

Ulteriori analisi, condotte mediante integrazioni di controllo con modelli accoppiati, hanno approfondito gli effetti delle fluttuazioni generate internamente nella MOC. Studi come quelli di Dong e Sutton nel 2005 e di Knight et al. nei bienni 2005-2006 hanno evidenziato significativi impatti sulle precipitazioni nelle regioni del Nordeste del Brasile e nel Sahel. Nonostante ciò, gli studi osservativi e quelli basati su modelli accoppiati possono a volte riflettere correlazioni piuttosto che causalità diretta. È qui che intervengono gli studi con modelli atmosferici, i quali isolano in modo specifico il ruolo delle variazioni delle temperature superficiali del mare (SST).

Nel nostro lavoro precedente (Sutton e Hodson, 2003, citato come SH03), abbiamo analizzato un insieme di integrazioni di un modello di circolazione generale dell’atmosfera (GCM), forzato con dati di SST globali osservati nel periodo 1871-1999. Utilizzando metodologie di rilevamento ottimale, abbiamo identificato che in tutte e quattro le stagioni standard — dicembre-febbraio (DJF), marzo-maggio (MAM), giugno-agosto (JJA), e settembre-novembre (SON) — il modo dominante di variabilità multidecennale indotta dall’oceano nella regione dell’Atlantico Nord era associato a un modello di SST di tipo AMO. In ricerche più recenti (SH05), abbiamo condotto esperimenti in cui lo stesso modello atmosferico era soggetto a un pattern idealizzato di SST AMO, rappresentante un riscaldamento o un raffreddamento su scala bacino dell’Oceano Atlantico Nord. Concentrandoci sulla stagione estiva boreale e attraverso confronti accurati tra i risultati del modello e le osservazioni, abbiamo dimostrato che i cambiamenti nell’Oceano Atlantico durante il ventesimo secolo sono stati un fattore chiave nelle variazioni multidecennali del clima estivo in Nord America e in Europa occidentale. Gli effetti sulle precipitazioni estive in Nord America erano coerenti con quelli identificati nelle analisi osservative condotte da Enfield et al. (2001) e McCabe et al. (2004).

Questo studio estende le ricerche precedentemente condotte in SH05 per analizzare gli effetti climatici in tutte e quattro le stagioni atmosferiche. L’obiettivo principale della presente ricerca è indagare le seguenti questioni fondamentali:

1. Quali sono gli impatti, sia locali che a distanza, di un fenomeno di riscaldamento o raffreddamento su scala bacino dell’Oceano Atlantico Nord e come si manifestano queste influenze in maniera stagionale?
2. Attraverso quali meccanismi si esercitano tali impatti climatici e quale ruolo svolgono le anomalie delle temperature superficiali del mare nelle zone tropicali e nelle medie latitudini?
3. Quali conclusioni possono essere tratte da questi risultati per meglio identificare e comprendere il ruolo dell’Oceano Atlantico nei processi di variabilità e cambiamento climatico?

La struttura del documento è organizzata come segue:

• Sezione 2: Vengono descritti in dettaglio gli esperimenti effettuati utilizzando il modello e le metodologie analitiche impiegate.
• Sezione 3: Si presentano le risposte simulate al riscaldamento o al raffreddamento dell’Oceano Atlantico Nord, evidenziando le variazioni riscontrate nelle diverse configurazioni sperimentali.
• Sezione 4: Le simulazioni ottenute vengono confrontate con le osservazioni climatiche del ventesimo secolo, focalizzando l’attenzione sul contrasto tra il periodo caldo dell’Atlantico Nord (1931-1960) e il successivo periodo freddo (1961-1990).
• Sezione 5: Si approfondisce l’analisi dei meccanismi che stanno alla base degli impatti climatici osservati, sia locali sia remoti, con particolare attenzione alle dinamiche che intercorrono tra le diverse latitudini e i fattori che contribuiscono alla variazione climatica.
• Sezione 6: Vengono presentate le conclusioni e discusse le implicazioni dei risultati ottenuti, riflettendo sull’importanza delle dinamiche dell’Atlantico nell’ambito della variabilità climatica globale.

Attraverso questo approccio metodologico, il documento si propone di fornire un contributo significativo alla comprensione dei processi climatici influenzati dall’Oceano Atlantico, integrando analisi modellistiche e osservazioni empiriche per delineare un quadro più chiaro e dettagliato degli effetti stagionali e a lungo termine sul clima globale.

La figura illustrata rappresenta un indice delle temperature superficiali dell’oceano (SST) per l’Atlantico Nord, esteso dal 1871 al 2003. Questo indice è stato generato attraverso la media delle osservazioni annuali medie di SST, utilizzando il dataset HadISST curato da Rayner et al. (2003). La regione specifica di interesse per questa analisi comprende le coordinate geografiche che vanno da 0° a 60° di latitudine nord e da 75° a 7,5° di longitudine ovest, come rappresentato dalla linea continua nel grafico. Successivamente, è stata rimossa la media a lungo termine per normalizzare i dati rispetto a variazioni di base.

La linea tratteggiata nel grafico rappresenta l’indice delle SST dopo l’applicazione di un filtro passa-basso, nello specifico il filtro di Henderson a 37 punti, come proposto da Kenny e Durbin nel 1982. Questo trattamento dei dati è cruciale per attenuare le fluttuazioni di breve termine e per evidenziare le variazioni più persistenti e significative nel tempo. Entrambi gli indici sono stati privati delle tendenze lineari preesistenti (processo noto come ‘detrending’), al fine di isolare meglio le oscillazioni genuine delle temperature superficiali dell’oceano.

L’asse verticale del grafico è espresso in gradi Celsius (°C), e l’indice detrended e filtrato con il filtro passa-basso spiega il 53% della varianza dell’indice originale non filtrato e detrended. Questo indice filtrato mostra un comportamento molto simile a quello riportato in lavori precedenti, come quello di Enfield et al. (2001) e SH05.

La visualizzazione delle variazioni delle SST nell’Atlantico Nord, come presentato, evidenzia la presenza di fluttuazioni significative su scala multidecennale, che si manifestano attraverso cicli alternati di riscaldamento e raffreddamento. Questi cicli sono indicativi di fenomeni climatici più ampi, come l’Oscillazione Multidecadale dell’Atlantico (AMO), che hanno profonde implicazioni sul clima regionale e globale. Le variazioni delle SST influenzano direttamente pattern meteorologici, regimi di precipitazione e configurazioni della circolazione atmosferica globale, sottolineando l’importanza di monitorare e comprendere queste dinamiche nell’ambito degli studi climatologici.

2. Esperimenti e Analisi Approfondite

Nel presente studio si è preso in esame la Figura 1, la quale documenta le fluttuazioni multidecennali recentemente osservate nella temperatura superficiale del mare (SST) nell’Atlantico Nord, come riportato nei dataset del Hadley Centre Sea Ice and Sea Surface Temperature (HadISST) di Rayner et al. (2003). L’indice illustrato copre il periodo dal 1871 al 1999 e consiste nella media delle temperature superficiali marine annue calcolate per la regione geografica estesa da 0° a 60°N in latitudine e da 75° a 7.5°W in longitudine. È stata inoltre inclusa una versione della serie temporale elaborata mediante l’applicazione di un filtro passa-basso, che evidenzia fluttuazioni multidecennali di notevole ampiezza rispetto alle variazioni interannuali. Tali fluttuazioni sono caratterizzate da una fase fredda agli inizi del XX secolo, seguita da una fase calda tra il 1930 e il 1960, una fase fredda ulteriore tra il 1960 e il 1990 e, infine, un riscaldamento verso la fine del secolo. Si è osservato che la serie temporale filtrata mediante passa-basso mantiene una straordinaria similarità quando derivata dai dati medi stagionali (per esempio, estivi o invernali) piuttosto che da quelli medi annuali, il che sottolinea come le interazioni aria-mare durante l’estate siano insufficienti a eliminare dall’acqua superficiale estiva le tracce di memoria oceanica a lungo termine.

L’obiettivo principale di questo studio è esaminare le ripercussioni sul clima globale derivanti da un riscaldamento o raffreddamento a scala di bacino dell’Atlantico Nord. A tale scopo, sono stati condotti esperimenti utilizzando un modello di circolazione generale dell’atmosfera, alimentato da schemi di SST idealizzati che rappresentano le fluttuazioni multidecennali descritte in Figura 1. Il modello impiegato per questa analisi è la versione 3 del Modello Atmosferico del Hadley Centre del Regno Unito (HadAM3; Pope et al. 2000). Questo modello utilizza una griglia Arakawa B, con una risoluzione orizzontale di 2.5° in latitudine per 3.75° in longitudine e comprende 19 livelli ibridi in verticale. Nonostante il modello riproduca adeguatamente il clima medio osservato, presenta alcune distorsioni, come ad esempio un bias di alta pressione nelle regioni di alta latitudine. Studi correlati hanno indicato che la variabilità della pressione media al livello del mare (MSLP) nel modello è comparabile, sebbene leggermente inferiore, alle osservazioni, sia quando il HadAM3 è guidato da SST sia quando è accoppiato a un modello oceanico (Rodwell e Folland 2002; Collins et al. 2001).

Il primo modello di forzatura SST, denominato NA, è rappresentato nella Figura 2a. Questo schema è stato sviluppato tramite la regressione dei dati medi annuali di HadISST su una versione standardizzata dell’indice filtrato passa-basso mostrato nella Figura 1. Utilizzando dati SST medi stagionali anziché annuali, i coefficienti di regressione locali tendono a variare tra il 10% e il 30%. È stata adottata una configurazione invariante per tutte le stagioni perché il segnale multidecennale di grande scala è un fenomeno comune a tutte le stagioni. Per isolare la porzione dell’Atlantico Nord nello schema, è stata applicata una maschera di pesi con peso nullo al di fuori dell’Atlantico, oltre i 70°N, e nella maggior parte dell’Atlantico del Sud.

Nel corso di questo studio, è stata adottata una specifica ponderazione nulla per le regioni situate oltre i 70°N di latitudine. Tale scelta metodologica si giustifica considerando l’importanza che le variazioni nell’estensione del ghiaccio marino assumono in questa zona geografica; variazioni che, a eccezione degli ultimi decenni, presentano un elevato grado di incertezza. Per mitigare eventuali discontinuità nel gradiente della temperatura superficiale del mare (SST), è stato applicato un metodo di levigatura del tipo coseno-quadrato lungo i bordi della maschera utilizzata. Inoltre, per adeguare l’ampiezza delle anomalie alla scala delle fluttuazioni osservate, il modello di anomalia SST è stato amplificato di un fattore quattro, risultando così quattro volte la deviazione standard osservata. Tuttavia, in una fase successiva, questo fattore è stato ridotto a un quarto per consentire un confronto più diretto con le osservazioni del clima del ventesimo secolo. Tale procedura di ridimensionamento ha permesso di stimare con maggiore efficienza la risposta lineare alla forzatura, riducendo la durata delle integrazioni necessarie. Questo approccio, però, complica il confronto con le osservazioni di risposte non lineari, un aspetto che verrà approfondito in seguito nel dibattito.

L’analisi sperimentale è iniziata con la conduzione di un esperimento di controllo, identificato come CTRL, nel quale il modello è stato forzato utilizzando un campo di SST climatologico medio mensile. Questo campo è stato ottenuto dalla media dei dati HadISST raccolti nel periodo tra il 1961 e il 1990. Subito dopo, sono stati avviati esperimenti in cui l’anomalia SST del Nord Atlantico (NA) è stata alternativamente aggiunta o sottratta alla climatologia di riferimento. L’esperimento di controllo ha avuto una durata di quaranta anni, con esclusione dei primi cinque anni dai dati analizzati per stabilizzare il modello. Per quanto riguarda gli esperimenti sulle anomalie, questi sono stati condotti per un periodo di venti anni, escludendo dal dataset il primo anno, al fine di eliminare gli effetti transitori iniziali.

Per quanto concerne l’analisi temporale, i medi stagionali sono stati calcolati aggregando i dati in periodi trimestrali corrispondenti alle stagioni DJF (dicembre-febbraio), MAM (marzo-maggio), JJA (giugno-agosto) e SON (settembre-novembre). Successivamente, sono state calcolate le medie dei medi stagionali per l’intero arco temporale di ciascun esperimento. Assumendo che ciascun anno sia statisticamente indipendente, per gli esperimenti sulle anomalie, tale procedura equivale a una media di ensemble con un gruppo di 19 elementi. Infine, è stata determinata la deviazione standard temporale per ciascuna stagione e per ciascun esperimento, fornendo una misura della variabilità stagionale all’interno del modello utilizzato.

La risposta lineare alla forzatura è stata definita come la differenza tra le medie temporali ottenute dagli esperimenti con anomalie di temperatura superficiale del mare nell’Atlantico Nord (NA) e il controllo (CTRL), normalizzata mediante un fattore di scala di 1/4. Per determinare la significatività delle risposte climatiche nelle diverse regioni, è stato impiegato un test statistico t, specificamente progettato per queste valutazioni. In aggiunta, per alcuni parametri è stato calcolato un rapporto segnale-rumore, definito come il rapporto tra la media delle risposte e la variabilità interannuale, la quale è stata stimata come la radice quadrata della media delle varianze dei due esperimenti NA e CTRL. Questo rapporto segnale-rumore si distingue per non essere influenzato dalla durata delle integrazioni o dalla dimensione effettiva dell’ensemble, fornendo così una misura fisicamente pertinente e affidabile della forza della risposta al cambiamento forzato.

Per approfondire l’indagine sull’impatto delle varie componenti del pattern SST dell’Atlantico Nord sul clima, sono stati condotti esperimenti supplementari focalizzati separatamente sulle regioni tropicali e extratropicali del modello. Nello specifico, la componente tropicale (da 10°S a 30°N, come illustrato nella Figura 2b, indicati negli esperimenti come TNA e TNA) e la componente extratropicale (da 30°N a 70°N, mostrata nella Figura 2c, con gli esperimenti denominati XNA e XNA) sono state isolate e utilizzate per modificare la SST. Per garantire transizioni fluide nelle anomalie di temperatura, è stata applicata una funzione di levigatura coseno-quadrato ai confini definiti a 30°N. Gli esperimenti, conducendo ciascuna simulazione per un periodo di 20 anni, mirano a comprendere in maniera più dettagliata l’influenza di queste specifiche porzioni geografiche sulle dinamiche climatiche generali.

I risultati ottenuti dagli esperimenti sulle anomalie SST dell’Atlantico Nord sono stati poi confrontati con i cambiamenti decennali osservati nei dati di pressione al livello del mare, come documentati dal dataset Hadley Centre Sea Level Pressure (HadSLP1), il quale fornisce i valori medi di pressione al livello del mare dal 1871 al 1998, organizzati in una griglia di 5° per 5° (Basnett e Parker 1997). Questo confronto mira a validare i modelli di simulazione impiegati e a verificare l’aderenza dei risultati sperimentali con le variazioni climatiche effettivamente registrate, offrendo una prospettiva cruciale sull’accuratezza e sulla pertinenza delle simulazioni climatiche utilizzate nel nostro studio.

La Figura 2 presenta un’analisi dettagliata delle anomalie della temperatura superficiale del mare (SST) in gradi Celsius (°C), relative a diverse regioni del bacino atlantico. Le tre mappe, distinte come (a), (b) e (c), delineano schemi specifici di variazione termica all’interno del contesto più ampio dell’Atlantico Nord, offrendo un’esposizione chiara delle dinamiche termiche in risposta a vari fattori climatici e oceanografici.

(a) NASST pattern: Questa sezione della figura illustra il modello complessivo di anomalie SST per l’intero Atlantico Nord. La rappresentazione grafica evidenzia anomalie che variano da minime a moderate, con valori fino a 1.4 °C. Queste anomalie sono particolarmente accentuate nelle aree centrali dell’Atlantico Nord, così come lungo le coste dell’Europa occidentale e del Nord America. La distribuzione e l’intensità di queste anomalie termiche possono fornire indicazioni significative sui processi di scambio termico tra l’oceano e l’atmosfera, nonché sulle interazioni tra correnti marine superficiali e profonde.

(b) TNASST pattern: In questa mappa, l’attenzione è focalizzata sulla regione tropicale dell’Atlantico, che si estende da 10°S a 30°N. Le anomalie mostrate qui sono generalmente meno intense rispetto a quelle osservate nel pattern globale dell’Atlantico Nord, indicando variazioni più moderate delle temperature superficiali del mare. Questo modello può essere impiegato per analizzare gli effetti delle variazioni termiche tropicali sulle condizioni meteorologiche e climatiche regionali, compreso il loro impatto sui cicli di precipitazioni e sui pattern di vento prevalenti nelle regioni equatoriali e subtropicali.

(c) XNASST pattern: La parte finale della figura delinea le anomalie SST nella zona extratropicale dell’Atlantico, che va da 30°N a 70°N. Anche in questo segmento si osservano variazioni sostanziali, analoghe a quelle del pattern completo. Le anomalie più marcate si registrano nelle regioni settentrionali, vicino all’Europa e alla costa orientale del Nord America. Queste anomalie sono di cruciale importanza per comprendere i meccanismi di risposta del clima extratropicale, inclusi gli effetti sulle configurazioni delle alte pressioni e sulle dinamiche delle tempeste in queste latitudini elevate.**

Complessivamente, queste mappe offrono una visione panoramica e dettagliata delle fluttuazioni termiche nell’Atlantico, sottolineando come diverse regioni contribuiscano in maniera significativa alle dinamiche climatiche globali. L’analisi di questi pattern termici è essenziale per modellare accuratamente gli impatti climatici futuri e per sviluppare strategie di mitigazione e adattamento efficaci nei confronti dei cambiamenti climatici.

3. Risultati a. Risposta alla dinamica di riscaldamento dell’Atlantico Settentrionale

L’analisi presentata nella Figura 3 espone dettagliatamente la risposta del sistema climatico al riscaldamento anomalo dell’Atlantico Settentrionale, esaminando variabili chiave quali la pressione a livello del mare (SLP), le precipitazioni e la temperatura dell’aria a 2 metri dall’interfaccia terrestre (T2m), quest’ultima considerata esclusivamente sulle superfici continentali. Si osserva un pattern coerente di bassa pressione persistente sull’Atlantico settentrionale, pattern che mostra significative variazioni stagionali, particolarmente accentuate nelle regioni extratropicali.

Durante i mesi invernali e primaverili (DJF e MAM), le anomalie più marcate di SLP si manifestano nelle zone extratropicali. Tuttavia, è nei tropici che si registrano i rapporti segnale-rumore più elevati in tutte le stagioni, con picchi superiori a 1.5 nei periodi estivi e autunnali (JJA e SON). Ne consegue che, nonostante le evidenti anomalie extratropicali, l’impatto delle condizioni oceaniche anomale si rivela meno incisivo rispetto alla variabilità interna dell’atmosfera, specie nelle latitudini superiori a 60°N dove i rapporti segnale-rumore rimangono al di sotto di 0.5 anche nei periodi di massima evidenza (DJF e MAM).

L’analisi del riscontro di SLP durante il periodo estivo (JJA), come discusso nello studio SH05, identifica due principali nuclei di bassa pressione: il primo collocato sul sud dell’America del Nord e il secondo sull’Europa occidentale. Interessante è il comportamento del nucleo americano, che si presenta biforcuto in due lobi distinti, orientale e occidentale, con il lobo orientale che diviene più evidente e esteso verso nord nell’Atlantico durante l’autunno (SON). Il periodo invernale (DJF) è caratterizzato da un centro di bassa pressione posizionato nell’Atlantico a medie latitudini e da un secondo centro che si estende dall’area del Mare di Groenlandia fino al Mare di Barents e il nord Europa, configurazione simile ma con intensità ridotta rispetto a quella osservata in MAM.

Le anomalie di SLP si estendono inoltre ben al di fuori del bacino atlantico, con anomalie di bassa pressione evidenti su Africa e parti dell’Asia, soprattutto nei periodi SON e DJF. Al contrario, si evidenziano aree di alta pressione significative sul Pacifico e, durante la primavera (MAM), sull’America del Nord nord-occidentale. L’estate (JJA) segna un’estensione della risposta remota a tutto il tropico, con anomalie di alta pressione su tutto il bacino Indo-Pacifico.

Parallelamente, si registra un’intensificazione delle precipitazioni sull’Atlantico settentrionale caldo, con le maggiori anomalie (superiori ai 2 mm al giorno) concentrate nei tropici, specialmente nei periodi più caldi (JJA e SON). La correlazione stretta tra le maggiori anomalie di precipitazioni e i più alti rapporti segnale-rumore per la SLP supporta l’ipotesi che le anomalie nella liberazione di calore latente stiano influenzando le anomalie di circolazione atmosferica, in linea con le teorie proposte da Gill nel 1980. Infine, nei mesi invernali e primaverili si osserva un modello dipolare di anomalie di precipitazioni nell’Atlantico tropicale, che suggerisce uno spostamento verso nord della Zona di Convergenza Intertropicale (ITCZ) dell’Atlantico, mentre nel Pacifico si nota una generale soppressione delle precipitazioni, ad eccezione di un incremento prossimo alla costa dell’America Centrale.

La Figura 3 espone dettagliatamente gli impatti sulle precipitazioni terrestri risultanti dal riscaldamento dell’Atlantico Settentrionale. Si osserva un incremento delle precipitazioni nella maggior parte del nord del Sud America durante i mesi di dicembre, gennaio e febbraio (DJF) e marzo, aprile e maggio (MAM), mentre una riduzione si verifica in giugno, luglio e agosto (JJA). In particolare, il Nord America evidenzia durante JJA marcate anomalie negative di precipitazioni che interessano gli Stati Uniti e il Messico, un fenomeno già discusso nello studio SH05. Anche la parte occidentale di questa regione manifesta significative anomalie negative in MAM. Durante JJA si osserva inoltre un potenziale impatto sul monsone asiatico, con anomalie di precipitazioni negative sull’India e sul Golfo del Bengala e anomalie positive nella regione settentrionale. Questi effetti saranno ulteriormente analizzati nella sezione 5 del documento.

L’analisi delle temperature a 2 metri (T2m) rivelata dalla Figura 3 indica anomalie termiche positive, con incrementi fino a 1.5°C, sulle regioni settentrionali dell’Eurasia durante DJF e MAM. Queste anomalie sono probabilmente causate da un’intensificata avvezione di aria marittima calda, trasportata da venti geostrofici occidentali anomali. Nell’estrema Europa occidentale, l’influenza locale delle temperature superficiali dell’Atlantico più elevate può contribuire ulteriormente a questo fenomeno. Al contrario, sull’America del Nord non si registrano anomalie significative in DJF, mentre in MAM si evidenzia una notevole presenza di anomalie fredde. Tali anomalie sono associate a venti anomali da nordest che potrebbero trasportare aria più fredda dalle latitudini superiori, suggerendo che le anomalie di temperatura dell’aria superficiale nelle regioni extratropicali durante DJF e MAM sono primariamente modulate dalla risposta dinamica della circolazione atmosferica piuttosto che da una semplice risposta termodinamica al riscaldamento oceanico.

In JJA, si registrano anomalie termiche positive negli Stati Uniti e in Messico, come discusso nello studio SH05, e tali anomalie si estendono anche su vaste aree dell’Africa, del nord del Sud America e di parti dell’Asia centrale. Il pattern di anomalie in settembre, ottobre e novembre (SON) è simile, ma le anomalie sull’America del Nord sono meno intense e meno estese. Si nota anche una banda di anomalie fredde lungo la costa nord-est del Sud America, visibile anche nelle altre stagioni, in particolare in DJF e MAM. L’incremento delle precipitazioni in questa regione indica che una maggiore copertura nuvolosa potrebbe essere responsabile della riduzione della radiazione solare superficiale.

In sintesi, la risposta atmosferica all’anomalia NA-NA si manifesta con maggiore intensità nei tropici, dove i rapporti segnale-rumore sono i più alti, e risulta significativamente più debole nelle latitudini medie e alte. La variazione stagionale è marcata, con la risposta più forte registrata in JJA e SON. Nei tropici, le anomalie positive di precipitazioni si concentrano sull’Atlantico tropicale con bassi valori di SLP, e significative anomalie di precipitazione si osservano anche nel nord del Sud America e nel sud del Nord America, accompagnate da una tendenza generale al riscaldamento delle terre emerse. La risposta della circolazione extratropicale settentrionale, sebbene relativamente debole, è associata a importanti anomalie termiche sui continenti settentrionali durante l’inverno e la primavera boreali. Fuori dal bacino atlantico, la risposta più evidente si verifica in JJA e SON, caratterizzata da alta pressione e anomalie di precipitazioni generalmente negative sul Pacifico tropicale, rappresentando le caratteristiche più salienti della risposta remota.

La Figura 3 illustra compiutamente la risposta atmosferica al riscaldamento dell’Atlantico Settentrionale (NA-NA), evidenziata attraverso l’analisi stagionale di diverse variabili climatiche utilizzando il modello climatico HadAM3. Ogni riga di pannelli presenta un distinto insieme di anomalie climatiche calcolate per le quattro stagioni principali: DJF (dicembre-febbraio), MAM (marzo-maggio), JJA (giugno-agosto) e SON (settembre-novembre).

I pannelli (a), (d), (g), e (j) sono dedicati alle anomalie della pressione media al livello del mare (SLP), mostrate per ciascuna delle stagioni sopra menzionate. Le anomalie sono rappresentate mediante contorni espressi in Pascal, con un’intervallatura di 15 Pa. Le regioni in cui il rapporto segnale-rumore è particolarmente evidente sono indicate mediante ombreggiature, permettendo una visualizzazione chiara delle zone con maggiori variazioni di pressione rispetto alla media.

Nei pannelli (b), (e), (h) e (k), l’attenzione si sposta sulle anomalie delle precipitazioni, anch’esse analizzate stagionalmente. Le precipitazioni sono indicate in millimetri al giorno, e anche in questo caso, le variazioni significative dalla norma sono evidenziate attraverso l’uso di una scala non lineare, che accentua le differenze anche minime tra i dati osservati.

Infine, i pannelli (c), (f), (i), e (l) esplorano le anomalie della temperatura dell’aria alla superficie terrestre. Come per le altre variabili, le anomalie sono calcolate per le stesse stagioni e sono presentate in gradi Celsius. Le anomalie termiche significative sono facilmente identificabili grazie all’ombreggiatura delle aree che non raggiungono la soglia del 95% di significatività statistica.

Questa figura è stata elaborata moltiplicando i risultati per un fattore di 0.25, una modifica metodologica volta a rendere i dati comparabili con quelli presentati nella Figura 7 del medesimo studio. La presenza di una copertura significativa superiore al 17% in tutti i pannelli enfatizza la robustezza statistica e la rilevanza delle anomalie rilevate in risposta al riscaldamento dell’Atlantico Settentrionale. L’analisi dettagliata e la visualizzazione efficace di queste variazioni climatiche permettono di interpretare con maggiore precisione le complesse dinamiche atmosferiche influenzate da modifiche termiche e di pressione a livello regionale e globale.

b. Ruoli relativi del riscaldamento nelle zone a bassa latitudine e a media latitudine

Nelle sezioni precedenti del presente studio, è stato osservato che la risposta atmosferica più marcata alla forzatura NA-NA si manifesta prevalentemente nella regione dell’Atlantico tropicale. Questa sezione del documento si propone di indagare se tale risposta sia effettivamente indotta localmente dalle anomalie della temperatura superficiale del mare (SST) presenti nella stessa regione e, in tal caso, di definire il contributo specifico delle anomalie SST a media latitudine a questo fenomeno. La Figura 4 illustra la risposta alle sole anomalie SST dell’Atlantico tropicale (indicata come TNA-TNA). Mettendo a confronto questa figura con la Figura 3, si evidenzia una somiglianza notevole nelle risposte registrate nei Tropici, suggerendo la presenza di un meccanismo comune di risposta, che verrà approfondito nella Sezione 5.

Al contrario, analizzando la reazione delle zone extratropicali settentrionali alla forzatura TNA, emergono differenze significative rispetto alla risposta elicita dalla forzatura NA. Le anomalie positive della temperatura a 2 metri (T2m) osservate nella Eurasia settentrionale durante i periodi DJF e MAM non si riproducono con la sola forzatura TNA, e i pattern di SLP mostrano variazioni distinte. È rilevante notare che, nonostante la forzatura sia limitata alla TNA, si verifica comunque una considerevole risposta circolatoria sull’Atlantico settentrionale extratropicale. In DJF, ad esempio, si identifica un ampio centro di bassa pressione nell’Atlantico a medie latitudini. Le analisi relative alla funzione di corrente a 200 hPa, sebbene non presentate qui, indicano che questa anomalia potrebbe essere associata alla propagazione verso nord di onde di Rossby stazionarie originanti dall’Atlantico tropicale, come descritto da Hoskins e Karoly nel 1981.

È stata altresì esaminata la risposta alle sole anomalie SST dell’Atlantico extratropicale (medie latitudini), designate come XNA-XNA. Le risposte osservate, pur non essendo illustrate, tendono a essere generalmente molto deboli. La T2m rivela un riscaldamento nell’area di forzatura ma quasi nessuna risposta significativa sulle aree terrestri. La reazione di SLP si mostra significativa sull’Atlantico del Nord in JJA, come discusso nello studio SH05, ma non nelle altre stagioni. Le sezioni verticali delle anomalie di altezza geopotenziale per JJA, anch’esse non mostrate, suggeriscono che la risposta sia limitata (le anomalie significative sono confinate sotto circa 700 mb) e possa pertanto riflettere semplicemente un riscaldamento locale dello strato limite dovuto alle anomalie SST sottostanti.

La limitata reazione alle anomalie SST delle medie latitudini è in linea con studi precedenti (vedi Kushnir et al. 2002). Tuttavia, il confronto tra le Figure 3 e 4 suggerisce che, in presenza di anomalie SST tropicali, le anomalie SST delle medie latitudini possano esercitare una certa influenza. Ad esempio, si nota che la risposta delle temperature nella Eurasia settentrionale in DJF e MAM è significativamente più intensa negli esperimenti NA rispetto a quelli TNA. Il fatto che queste anomalie di temperatura non siano replicate dalla sola forzatura con le anomalie XNA sottolinea un’interazione non lineare tra le risposte alle anomalie SST tropicali e di media latitudine. Il meccanismo di questa non linearità non è ben chiaro, ma potrebbe implicare che la forzatura tropicale modifichi la struttura delle onde stazionarie sulle medie latitudini in modo tale da alterare (in questo caso aumentare) la sensibilità alle anomalie SST delle medie latitudini. Numerose evidenze indicano che la risposta alle anomalie SST delle medie latitudini può essere estremamente sensibile ai cambiamenti dello stato medio atmosferico (Kushnir et al. 2002).

Infine, il fatto che la forzatura XNA non induca le anomalie di bassa SLP che sono state osservate ad alte latitudini in DJF e MAM in risposta alla forzatura NA (Figura 3) contraddice l’ipotesi secondo cui il gradiente di temperatura meridionale anomalo al confine settentrionale dell’anomalia SST potrebbe aver giocato un ruolo cruciale nell’eccitare queste anomalie.

c. Complessità e non linearità nella risposta climatica alle variazioni delle SST

Nel corso di questa analisi, abbiamo approfondito la possibilità che esistano non linearità associate alla modifica del segno della forzatura delle temperature superficiali del mare (SST). Per investigare questo aspetto, abbiamo considerato le differenze tra gli esperimenti individuali, NA e NA, confrontandoli con l’esperimento di controllo, denominato CTRL. In un contesto di risposta lineare, ci aspetteremmo che i risultati di NA–CTRL siano equivalenti ma opposti a quelli di NA–CTRL. Nei Tropici, abbiamo osservato un alto grado di linearità in tutte le stagioni, evidenziato dalla notevole somiglianza nei pattern delle anomalie climatiche. Tuttavia, la magnitudine di tali anomalie tende a essere generalmente superiore per la forzatura positiva delle SST (NA–CTRL), con le principali anomalie di precipitazione che risultano essere dal 10% al 40% maggiori rispetto al normale. Un incremento di tale entità è prevedibile in virtù della relazione di Clausius-Clapeyron.

Specificatamente, nell’area del sud dell’America del Nord, compresa tra i 15° e i 45°N e i 230° e i 290°E, l’anomalia di pressione al livello del mare (SLP) per NA–CTRL è stata registrata a 125 ± 62 Pa, mentre per NA–CTRL l’anomalia è stata di 87 ± 34 Pa. Ciò indica che la risposta è più intensa nel caso di forzatura positiva delle SST, anche se la differenza ha un’importanza statistica solo marginale.

Al contrario, nella regione delle extratropici settentrionali, la risposta mostra una forte non linearità, in particolare nei periodi di SON, DJF e MAM. La Figura 5 illustra i risultati per il periodo DJF. Nei Tropici si osserva un dipolo di pressione al livello del mare tra l’Atlantico tropicale e il Pacifico tropicale orientale, che inverte segno tra i due pannelli analizzati (Fig. 5a e 5b). Invece, a circa 40°N sull’Atlantico a medie latitudini, entrambi i pannelli evidenziano anomalie significative di alta pressione. Più a nord, NA–CTRL rivela significative anomalie di bassa pressione, mentre NA–CTRL non mostra anomalie di rilievo.

Ulteriormente, la Figura 5 presenta sezioni trasversali dell’altezza geopotenziale nella banda di latitudine 35°–45°N. Sopra il bacino Atlantico, NA–CTRL presenta una struttura barotropica equivalente, mentre NA–CTRL mostra una struttura baroclina. Questo suggerisce l’esistenza di meccanismi diversi all’opera. Una teoria plausibile è che NA–CTRL sia maggiormente influenzato dalle onde di Rossby stazionarie che si propagano dalla regione dell’Atlantico tropicale. Tali onde sono attese avere una struttura barotropica equivalente nelle extratropici, e potremmo aspettarci un’eccitazione più forte di queste onde in NA–CTRL, dato che le anomalie positive delle SST in NA generano anomalie più grandi di riscaldamento latente rispetto alle anomalie negative delle SST in NA.

La complessità della risposta dell’atmosfera delle medie latitudini a modeste anomalie delle SST è ben documentata e deriva in particolare dal ruolo critico dei cambiamenti nelle eddies transitorie nel plasmare qualsiasi tipo di risposta climatica (ad esempio, Kushnir et al. 2002). Questo fenomeno sottolinea la necessità di estrema cautela nell’attribuire le variazioni climatiche delle medie latitudini ai cambiamenti nella forzatura operata dall’Oceano Atlantico Settentrionale. I risultati di questo studio indicano che i tentativi di tale attribuzione sono decisamente più promettenti nei Tropici, dove il rapporto segnale-rumore è più elevato e le risposte risultano essere più lineari.

La Figura 4 è dedicata all’analisi della risposta atmosferica al riscaldamento dell’Atlantico tropicale, contrassegnata come TNA–TNA, adottando la stessa struttura di visualizzazione della Figura 3 per facilitare comparazioni dirette tra differenti scenari di forzatura climatica. Questo layout consente una disamina approfondita delle variazioni stagionali nelle tre principali metriche climatiche: le anomalie della pressione a livello del mare (SLP), le anomalie nelle precipitazioni, e le anomalie della temperatura dell’aria a due metri dal suolo (T2m).

**1. Prima Colonna (SLP): – Pannelli (a), (d), (g), (j): Questi pannelli rappresentano le anomalie di SLP per le stagioni DJF, MAM, JJA, e SON, rispettivamente. Le anomalie sono delineate con contorni e aree ombreggiate dove il rapporto segnale-rumore è particolarmente elevato, indicando una risposta marcata alla forzatura climatica.

**2. Seconda Colonna (Precipitazioni): – Pannelli (b), (e), (h), (k): Illustrano le anomalie delle precipitazioni per le corrispondenti stagioni. Le misurazioni sono espresse in millimetri al giorno, con ombreggiature che indicano le zone dove le anomalie sono statisticamente significative, accentuando le variazioni rispetto alla norma stagionale.

**3. Terza Colonna (T2m): – Pannelli (c), (f), (i), (l): Questi pannelli espongono le anomalie di temperatura alla superficie terrestre per le stesse stagioni. Le temperature sono misurate in gradi Celsius, e le anomalie significative sono evidenziate con ombreggiature che sottolineano i cambiamenti più notevoli rispetto alle condizioni medie.

In tutti i pannelli, le aree dove le anomalie non raggiungono la significatività statistica al 95% sono lasciate in bianco, indicando che in queste regioni la risposta alla forzatura TNA–TNA non è sufficientemente robusta da superare il limite di significatività. Inoltre, è rilevante notare che la frazione di copertura significativa supera il 17% in tutti i pannelli, dimostrando che una parte sostanziale delle regioni analizzate mostra cambiamenti significativi in risposta al riscaldamento dell’Atlantico tropicale.

Quest’analisi offre una visione dettagliata e scientificamente robusta degli effetti localizzati e stagionali del riscaldamento dell’Atlantico tropicale sul sistema climatico globale, permettendo agli studiosi di valutare con precisione le dinamiche di risposta atmosferica a variazioni specifiche nella forzatura delle SST.

La Figura 5 delibera sulla non linearità della risposta climatica al riscaldamento o al raffreddamento dell’Atlantico Settentrionale, attraverso una serie di rappresentazioni grafiche che mettono in contrasto gli esperimenti variabili con un esperimento di controllo. Questa analisi fornisce una visione approfondita delle dinamiche atmosferiche complesse scaturite dalle modificazioni delle temperature superficiali del mare (SST) in questa regione critica.

**1. Pannello (a) – Differenza nella pressione a livello del mare (SLP) media in DJF tra NA e l’esperimento di controllo (NA–CTRL): – Il pannello mostra le anomalie di SLP durante i mesi invernali (dicembre, gennaio, febbraio). I contorni sono definiti con intervalli di 15 Pascal e le aree ombreggiate denotano il rapporto segnale-rumore. Le tonalità più scure indicano aree con risposte più marcate e robuste. Le regioni non significative statisticamente al 95% sono evidenziate in bianco, segnalando l’assenza di risposte forti rispetto al controllo.

**2. Pannello (b) – Stesso che in (a), ma per NA–CTRL: – Questo pannello è analogo al precedente ma illustra la differenza di SLP sotto un diverso scenario di forzatura, mettendo in luce come la pressione a livello del mare possa variare sotto condizioni opposte. Questa rappresentazione sottolinea l’elemento di non linearità nelle risposte climatiche, confermando che le reazioni dell’atmosfera non sono semplicemente proporzionali alle variazioni di forzatura ma possono presentare comportamenti dinamici complessi.

**3. Pannello (c) – Differenza nell’altezza geopotenziale media tra 35° e 45°N per NA–CTRL: – Mostra le anomalie dell’altezza geopotenziale lungo un taglio trasversale che copre latitudini medie, con intervalli di contorno di 1 metro. L’altezza geopotenziale è una metrica critica per analizzare le variazioni nella colonna atmosferica; anomalie più elevate possono indicare aree di bassa pressione e viceversa. Le anomalie significative sono delineate da linee continue, mentre le non significative da linee tratteggiate, offrendo un’immagine chiara delle variazioni verticali e orizzontali nell’atmosfera.

**4. Pannello (d) – Identico al pannello (c), ma per NA–CTRL: – Fornisce un confronto diretto con il pannello (c), mostrando le variazioni nelle strutture delle altezze geopotenziali sotto un secondo scenario di forzatura. Questo confronto evidenzia la non linearità nella risposta dell’atmosfera, mostrando come le strutture possano variare significativamente tra i due scenari di forzatura, e sottolineando l’importanza di comprendere tali dinamiche per interpretare correttamente le risposte climatiche regionali e globali.

In conclusione, la Figura 5 articola con chiarezza come le risposte alla forzatura nell’Atlantico Settentrionale possano divergere notevolmente a seconda della natura della forzatura stessa, rivelando una complessità e una non linearità notevoli nei meccanismi di risposta climatica. Queste osservazioni sono essenziali per la comprensione di come le variazioni nelle condizioni oceaniche possano impattare il sistema climatico su scala globale.

4. Confronto con le osservazioni

Nel quadro delle ricerche che impiegano schemi idealizzati di forzatura della temperatura superficiale del mare (SST), l’atto di confrontare tali risultati con le osservazioni empiriche richiede un approccio metodico e cauto. Nella pubblicazione precedente, identificata come SH05, abbiamo proceduto con il confronto mediante l’analisi di differenze composite semplici tra le osservazioni raccolte durante il periodo di riscaldamento dell’Atlantico Nord dal 1931 al 1960 e quelle del successivo periodo di raffreddamento, estendendosi dal 1961 al 1990. Nella presente analisi, abbiamo esteso questa metodologia a tutte e quattro le stagioni climatiche, approfondendo la nostra comprensione delle dinamiche in gioco.

Le differenze nelle condizioni medie tra i due periodi in esame potrebbero derivare da una serie di fattori: le modificazioni nelle condizioni dell’Atlantico Nord, risposte a cambiamenti in altri bacini oceanici, la variabilità intrinseca dell’atmosfera o come risultato diretto di modifiche ai forzanti esterni, sia naturali che antropogenici. Utilizziamo il termine “risultato diretto” per indicare un impatto che non è modulato da alterazioni negli oceani.

La Figura 6 illustra la differenziazione delle SST tra i periodi 1931-1960 e 1961-1990, evidenziando anomalie positive prevalentemente nell’Atlantico Nord, in un pattern che riflette la configurazione notata nel pattern NA (Figura 2a). È da notare che le anomalie più marcate si registrano nella fascia tra i 40° e i 60° di latitudine nord, con un picco secondario nel tratto tropicale del Nord Atlantico a circa 10° di latitudine nord. Nonostante ciò, emergono delle discrepanze significative. Ad esempio, le anomalie SST del NA mostrano un’ampiezza maggiore, amplificata ulteriormente dal fattore di scala 2 menzionato precedentemente, che accomuna le differenze tra NA e NA. Come delineato nella Sezione 2, i risultati derivanti dagli esperimenti NA sono stati adeguatamente scalati per garantire un confronto equo e lineare con le differenze composite osservazionali. Tuttavia, la presenza di non linearità, attribuibile alle diverse ampiezze della forzatura SST, potrebbe influenzare le discrepanze osservate in questa analisi comparativa.

Inoltre, la Figura 6 mette in luce le anomalie SST al di sopra del 70°N, dove il pattern NA non mostra variazioni, e lungo le coste orientali del Canada e della Groenlandia, dove si osservano anomalie negative associate alla riduzione dell’estensione dei ghiacci marini negli ultimi decenni. È importante sottolineare che, data la mancanza di dati, HadISST presume una distribuzione climatologica dei ghiacci marini tra il 1940 e il 1952 (Rayner et al., 2003), rendendo quindi le anomalie SST in queste aree particolarmente incerte. Infine, la Figura 6 rileva anomalie SST anche fuori dall’Atlantico Nord, precisamente nell’Atlantico Sud, nell’Oceano Indiano e nel Pacifico occidentale, regioni che potrebbero influenzare significativamente la pressione atmosferica a livello del mare (SLP) sopra l’Atlantico Nord.

La Figura 7 presenta la differenza composita della SLP osservata tra i periodi (1931-60) e (1961-90) per tutte e quattro le stagioni. È lecito aspettarsi che i risultati osservativi siano caratterizzati da un certo grado di rumore, in quanto rappresentano una singola realizzazione piuttosto che una media di insieme. In ogni stagione si manifestano anomalie di bassa pressione sulla maggior parte dell’Atlantico Nord tropicale e a medie latitudini, coincidenti con le anomalie calde di SST. Questa correlazione trova riscontro nelle descrizioni basate sui dati osservativi medi annuali di Kushnir et al. (1997) e Delworth e Mann (2000).

Durante il trimestre dicembre-febbraio (DJF), le osservazioni indicano anomalie di bassa pressione alle basse e medie latitudini e anomalie di alta pressione alle latitudini superiori, con significatività statistica nel Nord Atlantico tropicale e sul Nord Africa. L’ottima corrispondenza con i risultati del modello in queste regioni implica che tali anomalie siano effettivamente risposte alle variazioni delle SST dell’Atlantico Nord. La mancanza di corrispondenza alle latitudini superiori è probabilmente attribuibile alla variabilità interna dell’atmosfera.

Nel corso del trimestre marzo-aprile-maggio (MAM), le analisi composite osservative hanno delineato un pattern meteorologico sull’Atlantico Nord che evoca la fase negativa dell’Oscillazione Nord Atlantica (NAO). Questo schema è caratterizzato da anomalie significative nei due principali centri di azione atmosferica. Contrariamente ai risultati modellistici, che non presentano tale pattern come evidenziato nella Figura 3b, le anomalie osservate sono statisticamente rilevanti. Tale discrepanza suggerisce che la variabilità interna dell’atmosfera non è sufficiente a spiegare tali differenze, il che potrebbe implicare l’influenza di uno o più dei seguenti fattori: divergenze nei pattern di SST illustrati nelle Figure 2a e 6, un impatto diretto dei forzanti esterni, errori nel modello o inesattezze nei dati osservativi.

Nonostante queste differenze, si osserva una certa coerenza tra le anomalie di pressione a livello del mare (SLP) osservate e simulate per il periodo MAM. Entrambi gli scenari indicano un gradiente di SLP simile sopra il Nord America, che suggerisce la presenza di venti nord-orientali anomali. Questa osservazione è supportata dall’analisi dei dati nella sezione 3, dove si nota che negli esperimenti NA si registrano anomalie di temperature superficiali fredde (T2m) in tale regione. Analogamente, una differenza composita di dati osservativi di T2m [(1931–60) (1961–90)] (Jones e Moberg 2003) conferma la presenza di anomalie termiche negative, sebbene tali dati non siano illustrati nel presente documento.

Diversamente dal periodo MAM, i compositi osservativi per il trimestre giugno-luglio-agosto (JJA) mostrano un’ottima corrispondenza con i risultati del modello nella regione dell’Atlantico Nord, come si evince dalla Figura 3c. Durante JJA, il rapporto segnale-rumore delle osservazioni è superiore rispetto ad altre stagioni, specialmente negli Stati Uniti. Questa congruenza tra le anomalie osservate e simulate suggerisce un ruolo predominante delle variazioni delle SST dell’Atlantico Nord nel determinare le modifiche multidecennali della circolazione atmosferica estiva. È importante notare che questo risultato non contraddice le evidenze di altri studi che attribuiscono anche al Pacifico tropicale un’influenza significativa sul clima estivo del Nord America (per esempio, Schubert et al. 2004; Seager 2006, manoscritto sottoposto a J. Climate).

Per il trimestre settembre-ottobre-novembre (SON), i compositi osservativi mostrano una situazione simile a quella del DJF, ma con un rapporto segnale-rumore ancora più elevato, in linea con i risultati del modello. In entrambi i casi, le anomalie negative di SLP si manifestano sull’Atlantico Nord tropicale e sul Nord Africa, indicando un ruolo significativo di queste regioni nel forzare le anomalie attraverso le SST dell’Atlantico Nord. Tuttavia, le anomalie di alta pressione osservate nei compositi sopra l’Europa centrale non trovano riscontro nei risultati simulati.

In sintesi, il confronto tra i dati derivanti dagli esperimenti modellistici e le differenze composite osservative evidenzia che i cambiamenti nelle SST dell’Atlantico Nord hanno giocato un ruolo cruciale nel guidare le variazioni decennali della circolazione atmosferica nelle regioni tropicale e a media latitudine dell’Atlantico Nord. Le analisi indicano che, benché i cambiamenti delle SST dell’Atlantico Nord abbiano avuto un impatto maggiore durante il periodo JJA (come discusso in SH05), hanno esercitato un’influenza significativa anche nei periodi SON e DJF, in particolare a latitudini più basse. È possibile che le modifiche nell’Oceano Atlantico Nord abbiano influenzato anche la circolazione atmosferica a latitudini più elevate, ma tali conclusioni rimangono incerte dato che nei nostri esperimenti NA la forzatura delle SST è stata impostata a zero a nord del 70°N. Infine, è rilevante sottolineare che, considerando le non linearità nelle risposte alle medie e alte latitudini discusse nella sezione 3c, il fattore di scala di 4 applicato alle anomalie delle SST potrebbe ridurne l’applicabilità per interpretare accuratamente i record climatici del ventesimo secolo. Tuttavia, tali risultati potrebbero ancora essere pertinenti per l’interpretazione dei record climatici proxy di periodi precedenti, quando si ritiene che si siano verificati cambiamenti di maggiore ampiezza nell’Oceano Atlantico.

La figura rappresentata mostra un composito delle anomalie della temperatura superficiale del mare (SST) calcolato come la differenza tra la media annuale del periodo 1931-1960 e quella del periodo 1961-1990, utilizzando i dati di HadISST. L’obiettivo di questa visualizzazione è identificare le variazioni termiche nelle SST su una scala globale durante il ventesimo secolo, evidenziando come queste possano aver influenzato o essere correlate a fenomeni climatici più ampi.

Le variazioni di temperatura sono indicate attraverso un gradiente di colori che va dal grigio scuro al grigio chiaro, rappresentando rispettivamente anomalie negative e positive rispetto alla media di riferimento. Il gradiente di colore è suddiviso in intervalli di 0.1°C, con linee di contorno che delineano queste variazioni incrementali. Ogni linea di contorno quindi demarca una transizione graduale nel valore delle anomalie di temperatura, permettendo una lettura dettagliata e precisa del pattern termico globale in relazione alle SST.

Nel dettaglio, l’analisi delle anomalie positive, ossia quelle aree dove si registra un incremento della temperatura superficiale rispetto al periodo precedente, rivela che significativi riscaldamenti si verificano prevalentemente nel Nord Atlantico, in particolare tra i 40°N e i 60°N. Questa regione mostra un intenso segnale di riscaldamento che potrebbe essere correlato a cambiamenti nella circolazione oceanica o a variazioni dei regimi dei venti prevalenti. Inoltre, un’analisi più localizzata rivela un picco secondario di anomalie positive nella zona tropicale del Nord Atlantico, intorno ai 10°N, suggerendo una possibile risposta termica superficiale a variazioni a più ampia scala dei sistemi climatici o delle correnti oceaniche.

Al contrario, le anomalie negative, ossia le zone che mostrano un raffreddamento delle SST rispetto alla media, sono evidenziate in diverse regioni, inclusi i margini esterni e alcune aree costiere. Questi decrementi termici potrebbero essere indicativi di aumenti locali della copertura nuvolosa, variazioni nella circolazione marina o altri fattori ambientali che agiscono per ridurre la temperatura superficiale del mare.

L’importanza di queste osservazioni sta nel loro potenziale impatto sui modelli climatici regionali e globali, poiché le temperature superficiali del mare giocano un ruolo cruciale nel modulare i pattern atmosferici e oceanici. Le anomalie termiche, sia positive che negative, possono influenzare fenomeni quali la formazione di eventi estremi del clima, la distribuzione delle piogge e i regimi di circolazione atmosferica, sottolineando l’importanza di monitorare e comprendere questi cambiamenti nel contesto dei cambiamenti climatici globali.

La figura rappresentata illustra le anomalie della pressione atmosferica a livello del mare (SLP), calcolate attraverso il dataset osservativo HadSLP, evidenziando le differenze tra due periodi distinti: il primo dal 1931 al 1960, caratterizzato da condizioni termiche più elevate nell’Atlantico Nord, e il secondo dal 1961 al 1990, durante il quale si è osservato un raffreddamento in tale regione. Le analisi sono presentate per quattro periodi stagionali: DJF (Dicembre, Gennaio, Febbraio), MAM (Marzo, Aprile, Maggio), JJA (Giugno, Luglio, Agosto) e SON (Settembre, Ottobre, Novembre), fornendo una panoramica comprensiva delle variazioni stagionali nelle anomalie di pressione.

In ciascun pannello della figura, le anomalie di SLP sono delineate attraverso contorni espressi in pascal (Pa), con un intervallo di 25 Pa. L’ombreggiatura all’interno dei contorni è utilizzata per indicare il rapporto segnale-rumore, una misura statistica che evidenzia l’entità delle anomalie di SLP rispetto al rumore di fondo delle misurazioni. Le regioni in cui le anomalie non raggiungono una significatività statistica del 95% sono ombreggiate in bianco, suggerendo che in queste aree le anomalie potrebbero non essere affidabili dal punto di vista statistico.

Significativamente, in tutte le rappresentazioni stagionali, la frazione di copertura di anomalie statisticamente significative supera il 17%, indicando una presenza non trascurabile di variazioni della pressione che possono essere considerate statisticamente robuste. Questo aspetto è cruciale per gli studiosi del clima, poiché fornisce una base affidabile su cui indagare ulteriormente gli impatti delle variazioni termiche dell’Atlantico Nord sui pattern meteorologici e climatici globali e stagionali.

Queste mappe sono quindi di fondamentale importanza per comprendere come le modifiche nelle condizioni termiche dell’Atlantico Nord influenzino la circolazione atmosferica e i pattern climatici stagionali. La distribuzione geografica delle anomalie di SLP offre spunti essenziali per gli scienziati climatologi che studiano le interazioni tra i mari e l’atmosfera, e come queste interazioni possano modificarsi in risposta a variazioni climatiche a lungo termine.

5. Discussione

a. Approfondimento degli impatti climatici locali derivanti dalle anomalie delle temperature superficiali del mare (SST) nell’Atlantico Nord tropicale

Gli approfondimenti presentati nella sezione 3 hanno rivelato che una considerevole porzione della risposta climatica al pattern delle SST dell’Atlantico Nord è stata influenzata dalle anomalie SST presenti nell’Atlantico tropicale. Quest’area ha manifestato notevoli anomalie nelle precipitazioni, che potrebbero aver indotto anomalie nel riscaldamento latente, responsabili a loro volta di guidare le modifiche nella circolazione atmosferica e gli impatti climatici correlati. La presente sezione esamina in modo più dettagliato questa dinamica, ponendo particolare enfasi sulla stagione JJA, periodo in cui la risposta climatica risulta essere maggiormente pronunciata.

Nel suo influente studio, Gill (1980) ha esaminato la risposta stazionaria dell’atmosfera tropicale alle anomalie di riscaldamento diabatico, descrivendola attraverso la generazione di onde di Rossby e Kelvin stazionarie. Secondo questa teoria, un’anomalia di riscaldamento posizionata fuori dall’equatore induce una risposta atmosferica che include una depressione barica (a bassi livelli atmosferici) situata a nord-ovest della zona di riscaldamento, fenomeno questo associato alla presenza di un’onda di Rossby stazionaria. L’interpretazione delle anomalie di precipitazioni evidenziate nella Figura 3h suggerisce un pattern di riscaldamento che non può essere semplificato in una mera sorgente puntiforme; tuttavia, la risposta della pressione atmosferica a livello del mare (SLP), mostrata nella Figura 3g — con anomalie di bassa SLP a nord-ovest della principale area di riscaldamento — si allinea efficacemente con la teoria proposta da Gill. È rilevante osservare che, in tutte le stagioni, l’alta correlazione tra il rapporto segnale-rumore (evidenziato per la SLP) e intense precipitazioni tropicali supporta l’idea che le anomalie di circolazione siano effettivamente indotte da riscaldamenti latenti anomali.

La Figura 8 presenta ulteriori dati analitici per la stagione JJA, ottenuti dagli esperimenti NA (ossia NA–NA). I venti a 1000 hPa (Figura 8a) mostrano l’anomalia ciclonica attesa, coerente con una bassa SLP, che si estende sul sud del Nord America e include anche notevoli anomalie di flusso sud-occidentale sopra l’Atlantico Nord tropicale e il Pacifico orientale. Nel modello di Gill, la struttura verticale dell’atmosfera tropicale è modellata mediante un unico modo baroclinico, il quale predice che le anomalie di circolazione nella troposfera superiore siano contrapposte a quelle nella troposfera inferiore. La Figura 8b illustra le anomalie della funzione di corrente a 200 hPa derivanti dagli esperimenti NA, rivelando un pattern di doppie anticicloni a livello superiore che conferma, come previsto dalla teoria di Gill, che le anomalie di flusso nella troposfera superiore siano effettivamente opposte rispetto a quelle rilevate nella troposfera inferiore. Questo schema si verifica in tutte le stagioni, sebbene non sia mostrato.

Un’analisi più minuziosa della risposta della SLP di JJA (Figura 3g), discussa nella sezione 3, ha identificato la presenza di due lobi di bassa pressione piuttosto che un unico centro depressivo sopra il Nord America. Questi due lobi potrebbero riflettere i due massimi locali del riscaldamento diabatico, dedotti dal campo di precipitazioni della Figura 3h, situati sul lato orientale del bacino atlantico e nell’estremo Pacifico orientale. Inoltre, è possibile che l’interazione tra il treno di onde di Rossby stazionarie e le Montagne Rocciose possa alterare ulteriormente la risposta atmosferica osservata.

La Figura 8c evidenzia il parametro omega a 500 hPa, mostrando un chiaro pattern di moto verticale ascendente strettamente correlato con il pattern di precipitazioni intensificate, come osservato nella Figura 3h. Si osserva, inoltre, una subsidenza accentuata nelle regioni caratterizzate da precipitazioni ridotte, includendo aree del Nord e del Sud America. Data l’assenza di forzanti SST in queste aree di subsidenza, è plausibile attribuire la riduzione delle precipitazioni, almeno in parte, a questa subsidenza, che rappresenta una risposta remota all’incremento di riscaldamento nelle regioni con precipitazioni maggiori. Rodwell e Hoskins (2001) hanno dimostrato che il riscaldamento diabatico medio, associato al monsone nordamericano, induce movimenti discendenti sopra il Pacifico subtropicale orientale. I risultati ottenuti suggeriscono che un incremento delle temperature nel Nord Atlantico subtropicale possa spostare parte di questo riscaldamento verso est, provocando uno spostamento di alcuni di questi movimenti discendenti verso il continente americano. In aggiunta, le anomalie di precipitazione in aree remote saranno influenzate dall’effetto delle anomalie di circolazione sulla convergenza dei flussi di umidità. Ad esempio, Ruiz-Barradas e Nigam (2005) hanno sottolineato l’importanza della convergenza dei flussi di umidità stazionari per le precipitazioni nella stagione calda nella regione delle Grandi Pianure degli Stati Uniti.

Le anomalie dei venti a 1000 hPa, come mostrato nella Figura 8a, indicano che una diminuzione dell’avvezione di aria calda e umida proveniente dal Golfo del Messico contribuisce alle anomalie negative di precipitazione osservate negli Stati Uniti. Questa osservazione è coerente con una risposta di tipo Gill, come suggerito dalla Figura 8, dove la forzatura delle SST dell’Atlantico Nord sembra influenzare anche il taglio verticale nell’area principale di sviluppo (MDR; 10°–20°N) degli uragani atlantici, come illustrato nella Figura 9. È noto che condizioni di SST più elevate favoriscono la formazione di uragani, ma sono ostacolate da un elevato taglio del vento verticale, il quale può precludere l’organizzazione asimmetrica della convezione profonda, un fattore cruciale per lo sviluppo degli uragani (Goldenberg et al., 2001). Goldenberg e colleghi hanno proposto che gli incrementi recenti nell’attività degli uragani atlantici derivino da un incremento simultaneo delle temperature superficiali del mare nell’Atlantico Nord e una diminuzione del taglio del vento verticale. I risultati presentati nella Figura 9 avvalorano l’ipotesi che gli aumenti delle SST nell’Atlantico siano una causa significativa della riduzione del taglio verticale (vedi anche Vitart e Anderson 2001; Shapiro e Goldenberg 1998).

Quantitativamente, la Figura 9 indica che il cambiamento nelle SST dell’Atlantico Nord, osservato tra il 1931 e il 1960 e il 1961 e il 1990, ha indotto una variazione del taglio verticale nella MDR di circa 1.9 m/s, calcolato come media su tutta la regione; le anomalie più significative sono state riscontrate sul lato occidentale della MDR. Questo valore è confrontabile con un taglio medio di circa 8 m/s nella configurazione di controllo della MDR. Secondo Goldenberg et al., un taglio di circa 8 m/s è sfavorevole allo sviluppo degli uragani, pertanto, i risultati suggeriscono in modo inequivocabile che il cambiamento del taglio indotto dalle variazioni delle SST atlantiche possa avere un impatto considerevole sulla probabilità di formazione di uragani.

La Figura 8 illustra in modo dettagliato la risposta atmosferica al riscaldamento dell’Atlantico Nord durante la stagione estiva, specificatamente nel periodo di giugno, luglio e agosto (JJA). Questa visualizzazione multidimensionale è divisa in quattro pannelli principali, ognuno dei quali rappresenta differenti aspetti dinamici e termodinamici dell’atmosfera correlati all’evento di riscaldamento.

a) Venti a 1000 hPa: Questo pannello mostra la distribuzione e l’intensità dei venti alla quota di 1000 hPa. Le frecce indicano direzione e velocità del vento, con una scala di riferimento di 1.00 m/s. È importante notare che sono rappresentate solamente le regioni dove almeno una componente del vento risulta statisticamente significativa al 95%, sottolineando le aree dove i cambiamenti nei venti sono maggiormente attribuibili all’influenza del riscaldamento dell’Atlantico Nord.

b) Funzione di corrente a 200 hPa: Le linee di contorno in questo pannello delineano la funzione di corrente a un livello alto dell’atmosfera, specificamente a 200 hPa. Le aree ombreggiate, che indicano un significato statistico al 95% e un elevato rapporto segnale-rumore, confermano la robustezza delle anomalie osservate e la loro chiara associazione con il riscaldamento in esame.

c) Omega a 500 hPa: Questo pannello visualizza la velocità verticale dell’aria, con le unità espresse in Pascal al secondo (Pa/s). I valori negativi, evidenziati con tonalità più scure, denotano un movimento ascendente dell’aria, segnalando regioni di potenziale instabilità atmosferica e associazione con fenomeni di precipitazione intensificata.

d) Flusso totale di calore verso l’oceano: Misurato in Watt per metro quadrato (W/m²), questo pannello identifica le zone in cui si verifica un’intensa trasmissione di calore dall’atmosfera all’oceano. Le aree più scure rappresentano un trasferimento di calore maggiore, implicando interazioni significative tra l’atmosfera e l’oceano che possono influenzare i processi oceanici come la formazione di cicloni o il rafforzamento delle correnti marine.

In conclusione, la Figura 8 fornisce una rappresentazione complessa e integrata degli impatti del riscaldamento dell’Atlantico Nord sulla dinamica atmosferica durante la stagione estiva, evidenziando come tali cambiamenti influenzino i venti, la circolazione aerea, i movimenti verticali e il bilancio energetico tra atmosfera e oceano.

b. Analisi degli impatti climatici remoti attribuibili alle anomalie delle temperature superficiali del mare nell’Atlantico settentrionale tropicale

Nell’ambito degli studi climatologici, la comprensione delle dinamiche inter-regionali riveste una cruciale importanza. Il focus di questo esame, come delineato nella sezione 3, si concentra sulla portata della risposta climatica alle anomalie delle temperature superficiali del mare (SST) nell’Atlantico settentrionale, evidenziando come tali variazioni non siano confinate alla sola area geografica di origine, ma estendano i loro effetti ben oltre, su scala globale. La ricerca condotta da Dong e Sutton (2002) ha ipotizzato che le onde di Rossby rappresentino un meccanismo efficiente attraverso cui le modifiche nell’Atlantico possano influenzare altri bacini oceanici, in particolare il Pacifico, attraverso un processo di propagazione di queste onde.

I dati riportati in figura 3 sottolineano come gli impatti sul Pacifico si manifestino con maggiore intensità nei mesi di JJA (giugno, luglio, agosto) e SON (settembre, ottobre, novembre). Questo fenomeno si verifica nonostante l’assenza di un ciclo stagionale nelle anomalie delle SST nei nostri esperimenti, suggerendo che le cause siano da attribuire all’evoluzione stagionale dello stato medio dell’oceano. In particolare, durante i mesi di JJA e SON, le SST medie stagionali nell’Atlantico settentrionale tropicale raggiungono i valori più elevati, con picchi più a nord e a ovest rispetto ad altre stagioni. Queste condizioni favoriscono un impatto significativo sulle dinamiche di convezione, specialmente quando le SST nel Golfo del Messico e nel Mar dei Caraibi superano i 28°C.

L’analisi delle precipitazioni stagionali evidenzia un spostamento più a nord durante i mesi di JJA e SON, il che facilita la libera propagazione verso ovest delle onde di Rossby, eccitate dal riscaldamento latente associato. Questa dinamica è meno evidente in altre stagioni, quando l’effetto barriera delle Ande diventa predominante. Inoltre, la propagazione di tali onde è sensibilmente influenzata dall’evoluzione stagionale dei venti predominanti.

Al raggiungimento dell’area est del Pacifico, i segnali delle onde di Rossby possono interagire con la Zona di Convergenza Intertropicale del Pacifico (ITCZ). Le simulazioni modellistiche mostrano che tale interazione dà luogo a ulteriori anomalie di riscaldamento, prevalentemente negative, che a loro volta inducono una circolazione anomala di Walker tra l’Atlantico tropicale e il Pacifico orientale, come illustrato nella figura 8c. Le anomalie di riscaldamento nel Pacifico generano ulteriori anomalie nella circolazione, evidenziate dai venti a 1000 hPa nella figura 8a, con specifico riferimento ai venti anomali da nordest intorno a 10°N, tra 150° e 200°E.

Sebbene nei nostri esperimenti con modelli atmosferici l’oceano Pacifico non possa rispondere direttamente alle anomalie nell’atmosfera superficiale, in un contesto reale è prevedibile una risposta dell’oceano. Le significative anomalie nel Pacifico relative allo stress del vento, al flusso di calore superficiale e alle precipitazioni suggeriscono un potenziale per induzione di cambiamenti nell’oceano Pacifico. Tali feedback accoppiati oceano-atmosfera, inclusi i possibili feedback positivi di Bjerknes che sono centrali nei fenomeni ENSO, possono essere stimolati e portare a cambiamenti più estesi nell’oceano Pacifico e nelle dinamiche climatiche correlate, come sostenuto anche dai lavori di Zhang e Delworth (2005).

Le ricerche più recenti esplorano anche gli impatti sull’Oceano Indiano e sulle regioni continentali limitrofe, con particolare attenzione alle conseguenze sul monsone asiatico. Anomalie negative di precipitazione sono state registrate in India meridionale e nel Golfo del Bengala, associate a un indebolimento del Getto di Somalia. L’ipotesi più plausibile per questo fenomeno è che un aumento del riscaldamento diabatico nella regione atlantica tropicale conduca a un innalzamento generalizzato delle temperature della media e alta troposfera tropicale, inibendo così la convezione in aree al di fuori dell’Atlantico tropicale. Questa associazione, contraria ai risultati ottenuti da Zhang e Delworth (2005), potrebbe essere spiegata attraverso feedback accoppiati che modificherebbero la risposta diretta fino a invertire il segno delle anomalie del monsone. Tale ipotesi trova conferma negli esperimenti recenti effettuati con un modello accoppiato, come riportato da Dong et al. (2006) e Dong e Sutton (2007).

La figura presentata illustra l’analisi delle anomalie dello shear verticale del vento zonale tra i livelli barici di 200 mb e 850 mb, in risposta al riscaldamento della regione dell’Atlantico Nord (NA) durante i mesi di agosto, settembre e ottobre (ASO), che rappresentano la stagione principale per gli uragani nell’Atlantico. Lo shear verticale del vento è una componente critica che influenza significativamente la formazione e l’evoluzione degli uragani, rendendo quindi essenziale l’analisi delle sue variazioni.

Nella mappa, le anomalie dello shear verticale sono rappresentate tramite linee di contorno, che demarcano le regioni dove si registrano incrementi o decrementi di questo parametro. L’intensità delle anomalie è indicata dalle densità delle linee di contorno: una maggiore vicinanza tra le linee suggerisce variazioni più marcate dello shear. Gli uragani tendono a svilupparsi in condizioni di shear verticale ridotto, poiché un alto shear può disturbare la coesione della struttura verticale di un ciclone e impedirne l’intensificazione. Pertanto, le anomalie positive (un aumento dello shear verticale) potrebbero contribuire a sopprimere l’attività degli uragani, mentre le anomalie negative (una riduzione dello shear verticale) potrebbero favorire la formazione e l’intensificazione degli stessi.

La scatola delineata sulla mappa identifica la Main Development Region (MDR) per gli uragani atlantici, un’area cruciale per il monitoraggio della genesi e dell’intensificazione degli uragani. L’incrocio dei dati relativi allo shear verticale con la localizzazione della MDR permette di prevedere con maggiore accuratezza l’impattto delle condizioni atmosferiche sulle dinamiche di formazione degli uragani. In questo contesto, la figura fornisce un quadro essenziale per comprendere come le anomalie termiche dell’Atlantico Nord possano modulare le condizioni meteorologiche predominanti nella MDR durante la stagione uragani, influenzando così direttamente l’attività ciclonica.

In sintesi, l’analisi dello shear verticale del vento zonale offerta dalla figura è fondamentale per decifrare le complesse interazioni tra i cambiamenti termici in una vasta regione oceanica e la loro estesa influenza sulla dinamica degli uragani. Attraverso studi dettagliati come questo, i climatologi possono affinare le previsioni stagionali e contribuire significativamente alla mitigazione dei rischi associati agli eventi meteorologici estremi.

6. Conclusioni

Nel presente studio, abbiamo implementato un modello di circolazione generale atmosferica al fine di esplorare la reazione del clima medio stagionale a variazioni termiche stagionalmente invarianti su scala bacino dell’Oceano Atlantico Nord. Tali variazioni di temperatura, caratterizzate da una struttura spaziale omogenea e da una scala temporale multidecennale, sono documentate nei dati strumentali degli ultimi circa 150 anni. Esse possono derivare da fluttuazioni nella Meridional Overturning Circulation (MOC) dell’Atlantico, da cambiamenti nelle forzanti esterne o, probabilmente, da una combinazione di entrambi questi fattori. È plausibile ipotizzare che variazioni di maggiore ampiezza nelle SST dell’Atlantico Nord si siano verificate anche in epoche più remote.

I risultati salienti del nostro studio sono riassunti come segue:

• In ogni stagione analizzata, la risposta climatica mostra il massimo di intensità, valutata in termini di rapporto segnale-rumore, nella regione tropicale, con la specifica che non sono state considerate forzanti SST a nord del 70°N. È importante sottolineare che le maggiori anomalie non corrispondono necessariamente alle aree con il rapporto segnale-rumore più elevato. Le anomalie più pronunciate di precipitazioni si registrano nei Tropici in tutte le stagioni, mentre le anomalie di temperatura più estreme si manifestano alle latitudini superiori in determinate stagioni.
• L’impatto climatico varia notevolmente nel corso delle stagioni. Alcuni effetti, come l’incremento delle precipitazioni nella regione tropicale dell’Atlantico Nord, sono consistenti attraverso le stagioni, mentre altri presentano significative variazioni. Ad esempio, durante l’estate si osserva un marcato effetto sulle precipitazioni e sulle temperature negli Stati Uniti e in Messico, effetto che si riduce considerevolmente in inverno. In contrasto, le temperature in Eurasia subiscono gli impatti maggiori durante l’inverno. Le anomalie termiche nelle regioni extratropicali durante l’inverno e la primavera sono principalmente determinate da cambiamenti dinamici nella circolazione atmosferica, piuttosto che da una semplice risposta termodinamica al riscaldamento o raffreddamento oceanico. Ad esempio, un aumento della temperatura nell’Atlantico Nord provoca anomalie termiche negative sopra il Nord America durante la primavera.
• La risposta climatica nei Tropici è essenzialmente guidata dalle anomalie delle SST tropicali. Le dinamiche osservate corrispondono a una risposta di tipo Gill alle onde di Rossby, scaturite dalle anomalie di riscaldamento diabatico. Al contrario, la risposta climatica nelle zone extratropicali è influenzata tanto dalle anomalie delle SST tropicali quanto da quelle delle alte latitudini. La risposta diretta alle anomalie delle SST extratropicali mostra il suo picco (il massimo rapporto segnale-rumore) nei mesi estivi (JJA), ma si rivela molto debole nelle altre stagioni. Tuttavia, l’influenza delle anomalie delle SST dell’Atlantico extratropicale sembra intensificarsi in presenza di anomalie delle SST dell’Atlantico tropicale.
• In accordo con altre ricerche (Vitart e Anderson 2001), le anomalie delle SST nell’Atlantico Nord influenzano lo shear verticale nella regione principale di sviluppo degli uragani atlantici. Questo impatto è strettamente legato alla risposta di Gill sopra descritta e può contribuire all’interpretazione delle tendenze osservate di recente nell’attività degli uragani (Goldenberg et al. 2001; Emanuel 2005; Webster et al. 2005), offrendo spunti preziosi per una migliore comprensione dei meccanismi che regolano i cambiamenti climatici a scala globale.Il confronto tra scenari di riscaldamento e raffreddamento dell’Atlantico Nord ha rivelato differenze significative nella risposta climatica tra le regioni tropicali e extratropicali. Mentre la risposta nei tropici appare relativamente lineare, quella nelle regioni extratropicali è marcatamente non lineare nei periodi di SON (settembre, ottobre, novembre), DJF (dicembre, gennaio, febbraio) e MAM (marzo, aprile, maggio). Tale non linearità suggerisce che i meccanismi predominanti che influenzano la risposta extratropicale variano in funzione del segno dell’anomalia termica superficiale marina (SST), ipotizzando che differenti processi dinamici possano essere attivati a seconda dell’intensità e del segno del riscaldamento o del raffreddamento registrato.
• Analizzando i risultati del modello in confronto alle variazioni osservate nella pressione atmosferica al livello del mare tra il periodo caldo dell’Atlantico Nord, dal 1931 al 1960, e il successivo periodo freddo, dal 1961 al 1990, emerge che le variazioni delle SST dell’Atlantico Nord hanno esercitato un’influenza predominante nei mesi estivi di JJA, come discusso da SH05. Tuttavia, l’importanza di tali influenze si estende anche nei periodi di SON e DJF, principalmente a latitudini inferiori. È importante notare che i cambiamenti nell’Atlantico Nord potrebbero anche aver influenzato la circolazione atmosferica a latitudini più elevate, benché questa ipotesi resti meno definita a causa della mancanza di forzanti SST al di sopra dei 70°N nei nostri esperimenti.
• Oltre agli impatti significativi registrati all’interno del bacino atlantico, il nostro studio ha rilevato che le ripercussioni climatiche si estendono anche ad altre regioni, in particolare al Pacifico tropicale, dove gli impatti più intensi si verificano durante i mesi di JJA e SON. Questa maggiore incidenza è probabilmente dovuta alle condizioni favorevoli per l’eccitazione e la propagazione verso ovest delle onde di Rossby, fenomeni che trovano condizioni ottimali in tali periodi. I risultati suggeriscono che il riscaldamento o il raffreddamento dell’Atlantico Nord può provocare anomalie nello stress del vento e nei flussi di calore e di acqua dolce superficiali, influenzando così l’Oceano Pacifico. È probabile che i feedback accoppiati, come indicato in studi precedenti di Dong e Sutton (2002) e Zhang e Delworth (2005), svolgano un ruolo cruciale nella definizione degli impatti climatici complessivi.
• Le evidenze raccolte supportano l’ipotesi che l’Atlantico Nord possa essere un motore significativo di variabilità decennale in altre regioni, incluso il potenziale impatto sulla variabilità decennale del fenomeno ENSO. Questo approfondimento rafforza l’importanza di considerare l’Atlantico Nord non solo come un componente passivo del sistema climatico globale, ma come un attore attivo e influente che può modulare i pattern climatici su scala decennale e oltre.

Se i risultati ottenuti dai nostri modelli riflettono fedelmente il comportamento del mondo reale, essi portano con sé implicazioni significative per l’interpretazione dei record climatici storici. È essenziale riconoscere che la considerevole variazione stagionale nella risposta climatica, sia in termini di pattern spaziali che di rapporto segnale-rumore, deve essere attentamente considerata quando si tenta di dedurre il ruolo dell’Oceano Atlantico nella modulazione dei record climatici ottenuti tramite proxy. I nostri risultati evidenziano che gli sforzi per attribuire tali modulazioni sono destinati a essere più efficaci nei Tropici, dove il rapporto segnale-rumore è elevato e le risposte sono generalmente più lineari.

Emergono dalle nostre analisi evidenze convincenti che le anomalie delle temperature superficiali del mare (SST) nell’Oceano Atlantico tropicale giocano un ruolo fondamentale, sottolineando l’importanza di ulteriori studi per identificare e comprendere meglio le cause di queste anomalie. In particolare, si rende necessario distinguere con maggiore chiarezza i ruoli giocati dalle variazioni nella Meridional Overturning Circulation (MOC) dell’Atlantico e dai cambiamenti nelle forzanti esterne che influenzano le SST in questa regione cruciale. Le conclusioni tratte da questi studi avranno ripercussioni dirette sulle proiezioni dei cambiamenti climatici, specialmente considerando la competizione tra il riscaldamento indotto dai gas serra e il possibile indebolimento della MOC causato dagli stessi gas serra, una dinamica che rappresenta un’incertezza critica per le proiezioni climatiche relative alla regione atlantica.

È fondamentale inoltre riconoscere i limiti del nostro studio. In particolare, la ricerca è stata condotta utilizzando un unico modello atmosferico e altri modelli potrebbero generare risposte climatiche che differiscono sotto certi aspetti da quelle da noi osservate. Anche se i confronti qualitativi tra modelli indicano una certa coerenza rispetto ad alcune caratteristiche climatiche importanti, come gli impatti climatici sull’America del Nord durante l’estate boreale, è indispensabile effettuare confronti più dettagliati, controllati e quantitativi. Tali confronti stanno attualmente venendo intrapresi come parte di un progetto del sesto programma quadro dell’Unione Europea (EU), denominato Understanding the Dynamics of the Coupled Climate System (DYNAMITE). Associato a ciò, vi è l’esigenza di esplorare in che misura specifici impatti climatici possano essere sensibili a lievi variazioni nel pattern o nell’ampiezza della forzante SST. Un’altra potenziale limitazione è l’utilizzo di una condizione al contorno delle SST prescritta, che in alcuni studi è stata indicata come potenzialmente fuorviante. Sebbene l’ottima corrispondenza tra i risultati del modello e i cambiamenti osservati nei mesi estivi suggerisca che questo problema non sia sempre rilevante, è necessario ulteriore lavoro per comprendere meglio in quali circostanze tale approccio sia valido e quando non lo sia.

Il nostro studio evidenzia inoltre la necessità di approfondire la comprensione della variabilità multidecennale nell’Atlantico settentrionale ad alte latitudini e dei suoi impatti sul clima, inclusa in particolare l’influenza dei cambiamenti nel ghiaccio marino. Si rende necessario anche un miglioramento nella comprensione del ruolo dell’Oceano Atlantico come causa della variabilità multidecennale globale. In questo contesto, è cruciale chiarire l’importanza relativa delle teleconnessioni oceaniche associate ai cambiamenti nella circolazione MOC e delle teleconnessioni atmosferiche, che possono stimolare risposte accoppiate remote, rappresentando una sfida chiave per i futuri studi nel campo della climatologia.

https://journals.ametsoc.org/view/journals/clim/20/5/jcli4038.1.xml