Separating the stratospheric and tropospheric pathways of El Niño–Southern Oscillation teleconnections

Separando i percorsi stratosferici e troposferici delle teleconnessioni dell’Oscillazione Meridionale di El Niño
Amy H Butler1,2, Lorenzo M Polvani3,4,5 e Clara Deser6
1 Università del Colorado/Istituto Cooperativo per la Ricerca in Scienze Ambientali, Boulder, CO, USA
2 Amministrazione Nazionale Oceanica e Atmosferica/Laboratorio di Ricerca del Sistema Terrestre/Divisione delle Scienze Chimiche, Boulder, CO, USA
3 Dipartimento di Fisica Applicata e Matematica Applicata, Università di Columbia, New York, NY, USA
4 Dipartimento di Scienze della Terra e Ambientali, Università di Columbia, New York, NY, USA
5 Osservatorio della Terra di Lamont-Doherty dell’Università di Columbia, Palisades, NY, USA
6 Centro Nazionale per la Ricerca Atmosferica, Boulder, CO, USA
E-mail: amy.butler@noaa.gov
Ricevuto il 5 dicembre 2013, revisionato il 27 gennaio 2014
Accettato per la pubblicazione il 29 gennaio 2014
Pubblicato il 26 febbraio 2014
Abstract
L’Oscillazione Meridionale di El Niño (ENSO) è un importante motore della variabilità invernale nell’emisfero nord e, in generale, l’elemento chiave utilizzato nelle previsioni stagionali del clima superficiale invernale. Studi di modellizzazione hanno recentemente suggerito che le teleconnessioni di ENSO potrebbero coinvolgere sia un percorso troposferico che uno stratosferico. Utilizzando dati di rianalisi, abbiamo attentamente distinto tra i due percorsi. Abbiamo osservato che le anomalie di temperatura e circolazione associate al percorso troposferico sono quasi uguali e opposte durante le fasi calde (El Niño) e fredde (La Niña) di ENSO, mentre quelle associate al percorso stratosferico sono dello stesso segno, indipendentemente dalla fase di ENSO. Questo ci ha permesso di isolare i due percorsi. La nostra analisi mostra che gli impatti climatici di ENSO sull’America del Nord sono prevalentemente associati al percorso troposferico, mentre quelli sul Nord Atlantico e sull’Eurasia sono fortemente influenzati dal percorso stratosferico. Il percorso stratosferico, definito qui sulla base dell’occorrenza di uno o più riscaldamenti stratosferici improvvisi in un dato inverno, e la cui firma si proietta molto fortemente sull’Oscillazione del Nord Atlantico, è presente il 60% delle volte durante gli inverni ENSO (di qualsiasi fase): gioca quindi un ruolo importante nel migliorare le previsioni stagionali, soprattutto sul Nord Atlantico e sul continente eurasiatico.

1. Introduzione
È ampiamente riconosciuto che le teleconnessioni dell’Oscillazione Meridionale di El Niño (ENSO) causino importanti anomalie di temperatura e precipitazioni nell’emisfero nordico durante l’inverno: di conseguenza, ENSO è un componente fondamentale della maggior parte delle previsioni climatiche stagionali nelle extratropici. Horel e Wallace (1981) hanno dimostrato che le teleconnessioni di ENSO assomigliano a treni di onde di Rossby troposferiche indotte nell’Oceano Pacifico tropicale da temperature superficiali del mare (SST) anomale che evolvono lentamente tramite cambiamenti nelle precipitazioni. Molte anomalie climatiche indotte da ENSO sono, in prima approssimazione, di carattere lineare, ovvero il loro segno si inverte quando le anomalie delle SST del Pacifico tropicale passano da calde (El Niño) a fredde (La Niña). Infatti, nei settori del Pacifico e del Nord America, gli impatti di ENSO possono essere ampiamente spiegati con la teoria delle onde lineari e semplici tracciamenti di raggi nella troposfera (Hoskins e Karoly 1981, Horel e Wallace 1981, Sardeshmukh e Hoskins 1988). Si nota, tuttavia, che il meccanismo preciso degli impatti di ENSO su Europa e Asia rimane meno chiaro (Greatbatch et al 2004, Toniazzo e Scaife 2006, Brönnimann et al 2007).
Poiché ENSO è una grande perturbazione del sistema climatico, non sorprende che anche la stratosfera sia influenzata dalle SST tropicali anomale del Pacifico. La risposta stratosferica, tuttavia, è più ricca di carattere rispetto alla risposta troposferica. Da un lato, la risposta stratosferica media stagionale a ENSO è approssimativamente lineare: è ben documentato che durante gli inverni di El Niño il vortice polare dell’emisfero nord è anomalo debole a causa dell’aumento dei flussi di onde planetarie nella stratosfera (Van Loon e Labitzke 1987), risultando in una stratosfera più calda (Garfinkel e Hartmann 2007) e concentrazioni più alte di ozono nelle regioni polari (Randel et al 2009). Anomalie di segno opposto, sebbene di ampiezza minore, sono osservate durante gli inverni di La Niña (Manzini et al 2006, Garfinkel e Hartmann 2007, Free e Seidel 2009).D’altra parte, la risposta stratosferica estrema all’ENSO è fortemente non lineare. Questo è evidente nella frequenza di occorrenza dei cosiddetti riscaldamenti stratosferici improvvisi (SSWs). Durante questi eventi, il vortice polare è completamente interrotto, i venti si invertono da occidentali a orientali, e la stratosfera polare si riscalda di decine di gradi in pochi giorni (Charlton e Polvani 2007). Si potrebbe ingenuamente aspettarsi che gli SSWs siano potenziati durante El Niño e soppressi durante La Niña; tuttavia, come riportato in Butler e Polvani (2011), la frequenza di occorrenza degli SSWs è raddoppiata durante entrambe le fasi dell’ENSO, rispetto agli inverni neutri rispetto all’ENSO. Questo fatto sorprendente è ancora poco compreso (Garfinkel et al 2012a).

La ragione per cui gli SSWs sono importanti per le condizioni superficiali deriva dall’osservazione che significative anomalie della circolazione troposferica possono persistere fino a due mesi dopo gli eventi (Baldwin e Dunkerton 2001). Queste anomalie assomigliano alla fase negativa dell’Oscillazione del Nord Atlantico (NAO), o a uno spostamento equatoriale del getto delle medie latitudini, e sono associate a un forte riscaldamento anomalo sopra l’Artico e la Groenlandia, così come a intense irruzioni di aria fredda sopra il nord Eurasia (Perlwitz e Graf 1995, Thompson et al 2002, Kolstad et al 2009).

Poiché la maggior parte degli SSWs si verifica durante gli inverni ENSO (Butler e Polvani 2011), è quindi naturale immaginare l’esistenza di un percorso stratosferico che collega le anomalie delle SST del Pacifico tropicale alle condizioni superficiali sopra le regioni del Nord Atlantico e dell’Eurasia. A differenza del familiare modello di teleconnessione quasi lineare troposferico Pacifico-Nord Americano (PNA), il percorso stratosferico consiste in onde planetarie che si propagano principalmente verso l’alto, perturbando notevolmente la stratosfera e occasionalmente producendo eventi estremi lì (notabilmente, SSWs), che successivamente influenzano le condizioni superficiali sotto, principalmente nel settore del Nord Atlantico e dell’Eurasia.Lo schizzo nella figura 1 riassume visivamente questi due distinti percorsi ENSO verso le extratropici. Mentre lo studio delle teleconnessioni troposferiche ENSO ha una lunga storia (vedi, ad esempio, Trenberth et al 1998), l’idea di un possibile percorso stratosferico è relativamente recente. Fu accennato da Brönnimann et al (2004), in uno studio di caso degli inverni estremamente freddi in Eurasia nel periodo 1940-1942, un El Niño forte e duraturo con una stratosfera fortemente perturbata. Da allora, diversi studi di modellizzazione (Toniazzo e Scaife 2006, Bell et al 2009, Cagnazzo e Manzini 2009, Ineson e Scaife 2009, Ortiz Bevia et al 2010) hanno suggerito che gli impatti dell’ENSO sulle regioni del Nord Atlantico e dell’Eurasia sono, in realtà, dominati dal percorso stratosferico.

Lo scopo del nostro articolo è di fornire prove osservative per questi risultati di modellazione. Ciò viene realizzato esaminando, separatamente, le teleconnessioni ENSO durante gli inverni con e senza SSWs, e dimostrando che la presenza del percorso stratosferico provoca una risposta superficiale molto significativa sopra la regione del Nord Atlantico e l’Eurasia. I nostri risultati suggeriscono che le previsioni stagionali potrebbero essere notevolmente migliorate se si tenesse conto delle condizioni stratosferiche.

La Figura 1 rappresenta uno schema delle possibili vie attraverso le quali l’ENSO (Oscillazione Meridionale di El Niño) può influenzare le extratropici settentrionali. Vi sono due percorsi principali illustrati:

1. Teleconnessioni Troposferiche: Queste sono rappresentate dalle linee curve che partono dalle SST tropicali (Temperature della Superficie del Mare, ad esempio ENSO) e si estendono fino al Nord America e poi al Nord Atlantico & Eurasia. Questo percorso riflette come le variazioni delle SST influenzino direttamente i modelli di circolazione atmosferica nella troposfera, che poi possono avere impatti sul clima nelle regioni menzionate.
2. Teleconnessione Stratosferica (SSWs): Questo è il percorso più alto nella figura, che connette anche le SST tropicali al Nord Atlantico e all’Eurasia, ma passando attraverso la stratosfera. Gli eventi di riscaldamento stratosferico improvviso (SSWs) sono particolari cambiamenti nella stratosfera che possono essere influenzati dalle condizioni ENSO e, a loro volta, hanno significativi effetti sul clima delle regioni del Nord Atlantico e dell’Eurasia. Durante questi eventi, il vortice polare può essere indebolito o invertito, influenzando la circolazione atmosferica fino alla superficie terrestre.

Questo schema serve a illustrare come le variazioni climatiche nelle regioni tropicale e stratosferica possano avere un impatto distinto sul clima delle extratropici settentrionali attraverso diversi meccanismi di trasmissione atmosferica.

2. Metodi
Per definire gli eventi ENSO utilizziamo l’indice ‘Oceanic Niño Index’ (ONI) di ERSST.V3B calcolato sulla regione Niño-3.4 (5°N–5°S, 170–120°W) dal National Center for Environmental Prediction (NCEP) Climate Prediction Center (CPC). Definiamo gli inverni di El Niño e La Niña seguendo la convenzione NCEP/CPC: gli eventi devono superare la soglia di +0.5 °C (per El Niño) e −0.5 °C (per La Niña) per un minimo di cinque stagioni sovrapposte consecutive (NDJ, DJF, JFM, ecc.). I nostri risultati non sono sensibili a cambiamenti in questa definizione, come l’uso del solo indice Niño-3.4 per DJF o l’uso di soglie più alte.

Per definire i riscaldamenti stratosferici improvvisi maggiori di metà inverno, seguiamo Charlton e Polvani (2007) e rileviamo semplicemente le inversioni dei venti occidentali climatologici a 10 hPa e 60°N nei mesi invernali boreali (da novembre a marzo), utilizzando la NCEP-NCAR Reanalysis dal 1958 al 2013 (Kalnay et al 1996). Per evitare conteggi doppi, richiediamo che i venti tornino occidentali per 20 giorni consecutivi tra eventi indipendenti. I riscaldamenti finali, nei quali i venti zonali diventano orientali e non ritornano occidentali per almeno 10 giorni consecutivi prima del 30 aprile, sono esclusi. La cosiddetta ‘data centrale‘ di ciascun SSW è definita come il giorno in cui i venti zonali medi zonali a 10 hPa e 60°N diventano per la prima volta orientali.Per descrivere le condizioni troposferiche, utilizziamo la temperatura superficiale giornaliera e l’altezza geopotenziale a 500 hPa dal reanalysis NCEP-NCAR, ancora per il periodo 1958–2013. Per rimuovere le tendenze a lungo termine e il ciclo annuale dai dati giornalieri, seguiamo la procedura delineata in Gerber et al (2010). Utilizziamo anche l’indice mensile dell’Oscillazione del Nord Atlantico (NAO) dal NCEP/CPC, standardizzato utilizzando la media e la deviazione standard di gennaio-marzo.

La significatività statistica per i compositi delle anomalie mensili (figure 3 e 4) è calcolata utilizzando il test t di Student a due code per la differenza delle medie, e le anomalie con p < 0,05 sono ombreggiate in tutti i compositi. Per i test di significatività nei compositi degli eventi stratosferici utilizzando dati giornalieri (figura 2), campioniamo 60 giorni consecutivi seguendo anni e date selezionati casualmente nel periodo da novembre a marzo; le date devono essere separate da 60 giorni. Campioniamo lo stesso numero di date osservate per gli SSW in ciascuna fase dell’ENSO (15 per El Niño, 13 per La Niña), quindi mediare ogni campione e prendere la differenza. Creiamo quindi una distribuzione di anomalie per ogni cella della griglia ripetendo questo processo 500 volte in un test di Monte Carlo. Le anomalie significative nei compositi degli SSW sono quindi definite per quelle celle della griglia che superano due deviazioni standard (σ) della distribuzione delle anomalie in quella località.

3. Risultati
Per inquadrare il contesto, iniziamo ricordando gli impatti superficiali osservati in seguito agli eventi di riscaldamento stratosferico improvviso (SSW). Nel periodo 1958-2013, sono stati identificati un totale di 35 SSW utilizzando i metodi dettagliati sopra, e le loro date centrali sono elencate nella tabella 1. Le anomalie della temperatura superficiale e dell’altezza geopotenziale a 500 hPa, mediate sui 60 giorni successivi alla data centrale di ciascun SSW, sono mostrate nella figura 2(a) (colonna sinistra, pannelli superiore e inferiore, rispettivamente).

Le anomalie dell’altezza geopotenziale che seguono gli SSW assomigliano strettamente alla fase negativa dell’NAO (Oscillazione del Nord Atlantico) (Baldwin e Dunkerton 2001), con altezze positive sopra la Groenlandia e l’Artico, e altezze negative sopra il Nord Atlantico ed estendendosi attraverso l’Europa; notiamo anche altezze positive significative sopra l’Asia subtropicale. Contestualmente, i modelli di temperatura che seguono gli SSW (figura 2(a), pannello superiore) assomigliano a ciò che si vede tipicamente in una fase negativa dell’NAO, con anomalie fredde sopra il nord Europa, l’Asia e gli Stati Uniti orientali, e anomalie calde sopra il Canada orientale e parti della Groenlandia, e anche su gran parte della Cina, del Medio Oriente e del Nord Africa.

Dovrebbe essere chiaro al lettore attento che, sebbene i modelli nella figura 2(a) siano costruiti compositando i campi da 1 a 60 giorni dopo gli SSW, sarebbe ingenuo affermare che questi modelli siano causati dagli SSW. Il motivo è abbastanza semplice: gli SSW sono molto più frequenti durante gli inverni di El Niño e La Niña rispetto agli inverni neutri rispetto all’ENSO (Butler e Polvani 2011). Infatti, dei 35 SSW utilizzati per costruire la colonna sinistra della figura 2(a), 15 eventi si verificano durante gli inverni di El Niño e 13 durante gli inverni di La Niña (vedi tabella 1). Pertanto, ci sarebbero tutte le ragioni per sospettare che le anomalie nella figura 2(a) potrebbero essere dovute a un campionamento del segnale ENSO, e non agli SSW. Ovviamente, è necessario districare gli SSW dall’ENSO, per evidenziare gli impatti unici di una stratosfera perturbata.Lo facciamo in due modi. Prima di tutto, per eliminare qualsiasi segnale ENSO, limitiamo semplicemente il composito a quegli SSW che avvengono negli inverni neutri rispetto all’ENSO. Il risultato è mostrato nella figura 2(b) (colonna centrale): il punto chiave è che sia le anomalie di temperatura che quelle dell’altezza geopotenziale appaiono qualitativamente simili ai compositi di tutti gli SSW. In particolare, le significative anomalie calde sopra il Canada orientale e le anomalie fredde sopra l’Eurasia, così come l’alta geopotenziale sopra il cappuccio polare e il basso geopotenziale sopra il Nord Atlantico, sono chiaramente presenti anche durante gli inverni neutri rispetto all’ENSO. Concludiamo che esiste un segnale superficiale di origine stratosferica che non ha nulla a che fare con l’ENSO.

Il lettore scettico potrebbe obiettare che solo sette eventi SSW sono stati utilizzati per costruire la figura 2(b) (vedi la colonna di destra della tabella 1) e quindi potrebbe dubitare della robustezza della nostra conclusione, nonostante la risposta statisticamente significativa mostrata in quella figura. Per alleviare tali dubbi, offriamo un secondo modo di isolare gli impatti stratosferici. Notando che il periodo 1958–2013 contiene un numero comparabile di SSW durante gli anni di El Niño e La Niña (15 e 13, rispettivamente), e ricordando la relativa linearità nella risposta troposferica dell’ENSO, ci si aspetterebbe grandi cancellazioni se solo quegli SSW che si verificano negli anni di El Niño e La Niña venissero composti (additivamente). Sorprendentemente, tale cancellazione non si verifica.

La Tabella 1 presenta un elenco delle date centrali di 35 eventi di riscaldamenti stratosferici improvvisi (SSW) divisi in tre categorie: inverni di El Niño, inverni di La Niña e inverni neutri rispetto all’ENSO (El Niño-Southern Oscillation). Questi dati sono tratti dalle rianalisi NCEP-NCAR dal 1958 al 2013, aggiornati da Butler e Polvani (2011).

La tabella è organizzata in tre colonne:

1. SSWs (El Niño): Mostra le date degli eventi SSW che si sono verificati durante gli inverni in cui erano presenti condizioni di El Niño. Ad esempio, il primo elencato è il 30 gennaio 1958.
2. SSWs (La Niña): Elenco delle date degli SSW che sono avvenuti durante gli inverni di La Niña. La prima data registrata in questa colonna è il 23 marzo 1965.
3. SSWs (neutro): Include le date degli eventi SSW che si sono verificati in inverni classificati come neutri rispetto all’ENSO. Il primo di questi è il 16 gennaio 1960.

Questa tabella è utile per analizzare la frequenza e la distribuzione temporale degli SSW in relazione alle diverse fasi di ENSO, permettendo ai ricercatori di esaminare eventuali correlazioni o pattern tra l’attività stratosferica (SSW) e le condizioni climatiche oceaniche (ENSO).

La Figura 2 presenta un composito di anomalie delle temperature superficiali (in gradi Kelvin) e delle altezze geopotenziali a 500 hPa (in gpm; intervallo di contorno 10 gpm) per i giorni 1-60 successivi all’inizio di eventi di riscaldamento stratosferico improvviso (SSW), diviso in tre parti:

1. (a) SSWs [35]: Questo pannello mostra le anomalie per i 35 maggiori SSW di metà inverno nel record storico. Le anomalie di temperatura e di altezza geopotenziale sono rappresentate nella fila superiore e inferiore, rispettivamente. Questo pannello fornisce una visione generale dell’impatto combinato di tutti i SSW registrati, indipendentemente dalla fase dell’ENSO.
2. (b) SSW Neutral-ENSO [7]: Le anomalie mostrate in questo pannello sono relative ai 7 SSW che si sono verificati durante gli inverni neutri rispetto all’ENSO. Questo aiuta a isolare gli effetti dei SSW indipendentemente dalle fluttuazioni dell’ENSO, offrendo una visione più chiara dell’impatto puro degli SSW sulla temperatura superficiale e sull’altezza geopotenziale.
3. (c) SSW El Niño [15] + SSW La Niña [13]: Questo pannello combina gli effetti di 15 SSW durante gli inverni di El Niño e 13 SSW durante gli inverni di La Niña. Serve per osservare se gli effetti combinati degli SSW durante le diverse fasi dell’ENSO si annullano a vicenda o se emergono pattern consistenti.

Le linee nere in grassetto (con ombreggiature grigie) indicano anomalie che sono superiori a due deviazioni standard rispetto alle distribuzioni generate in simulazioni Monte Carlo. Questo evidenzia le anomalie più significative rispetto al background climatico, sottolineando i cambiamenti più estremi e potenzialmente rilevanti nei dati meteorologici seguenti gli SSW.

Come mostrato nella figura 2(c), l’aggiunta di fasi opposte dell’ENSO in realtà amplifica le anomalie seguenti gli SSW. Sia le anomalie di temperatura superficiale che di altezza geopotenziale nella figura 2(c) appaiono qualitativamente simili a quelle nella figura 2(b)—da cui ogni influenza dell’ENSO è assente per costruzione—ma hanno approssimativamente il doppio dell’ampiezza: ciò indica che gli impatti degli SSW sulla troposfera e sulla superficie sono molto simili, indipendentemente dalla fase dell’ENSO. La figura 2(c), quindi, è una chiara dimostrazione dell’aspetto non lineare della risposta superficiale all’ENSO, sopra l’Atlantico e l’Eurasia, a seguito degli SSW. Nei pannelli inferiori della figura 2, inoltre, si noti l’assenza evidente di qualsiasi treno di onde simile al PNA che origini nel Pacifico tropicale e si estenda fino al Nord America: questa è un’ulteriore conferma che ciò che si vede in quella figura è l’impatto di condizioni stratosferiche fortemente perturbate. La figura 2(c), quindi, offre prove chiare dell’esistenza di un percorso stratosferico.

Avendo stabilito l’esistenza di quel percorso, documentiamo ora la sua importanza. Per fare ciò, ora spostiamo la nostra attenzione dagli SSW alle teleconnessioni dell’ENSO. Come riassunto nella tabella 2 troviamo 19 inverni di El Niño, 18 inverni di La Niña e 19 inverni neutri rispetto all’ENSO nei 56 inverni del record 1958–2013. L’aspetto non lineare della risposta stratosferica all’ENSO è evidente anche nella tabella 2: la frequenza degli SSW negli inverni di El Niño e La Niña è quasi uguale (0,79 SSW per inverno di El Niño contro 0,72 SSW per inverno di La Niña), e molti meno SSW si verificano negli inverni neutri rispetto all’ENSO (solo 0,37 SSW per inverno neutro rispetto all’ENSO), in accordo con Butler e Polvani (2011).Complessivamente, mentre gli SSW si verificano solo in poco più della metà di tutti gli inverni, ci sono più inverni di El Niño e La Niña con SSW rispetto a quelli senza, e meno inverni neutri rispetto all’ENSO con SSW rispetto a quelli senza.

Armata con questa decomposizione, recuperiamo per prima cosa la ‘risposta lineare canonica dell’ENSO‘, mostrata nella figura 3(a), semplicemente sottraendo i 18 inverni di La Niña dai 19 inverni di El Niño nel record (indipendentemente dallo stato stratosferico). Si notino le condizioni superficiali attese con freddo negli Stati Uniti e caldo in Canada (in alto), e i familiari treni di onde PNA nel campo delle altezze (in basso). Ancora più interessante, si noti che sopra l’Eurasia la risposta dell’ENSO nella figura 3(a) ha una somiglianza sostanziale con il composito SSW nella figura 2(a): ciò suggerisce che il percorso stratosferico stia giocando un ruolo nella risposta dell’ENSO in quella regione.

Per evidenziare questo ruolo, consideriamo successivamente la stessa risposta lineare dell’ENSO ma solo per gli inverni in cui si verificano uno o più SSW, come mostrato nella figura 3(b). In contrasto con la figura 3(a) (in alto), si può chiaramente vedere come le anomalie fredde sull’Eurasia siano molto più intense e coprano un’area più ampia quando la stratosfera è perturbata. Le anomalie calde sulla Groenlandia e sul Canada orientale sono anche più forti, mentre le anomalie calde sull’America del Nord occidentale appaiono più deboli e meno significative. Le anomalie di altezza a 500 hPa nelle figure 3(a) e (b) (in basso) in generale appaiono simili, ma una differenza chiave deve essere evidenziata: le anomalie di altezza sull’Atlantico si estendono molto più in Europa quando sono inclusi solo gli inverni con un percorso stratosferico.

Il ruolo del percorso stratosferico può essere evidenziato ancora più drammaticamente semplicemente omettendo il suo segnale. Questo è presentato nella figura 3(c), che mostra la risposta lineare dell’ENSO ma solo per gli inverni in cui non si verificano SSW. Quando la stratosfera non è perturbata, le anomalie di temperatura fredda sull’Eurasia quasi scompaiono (sopravvive solo una stretta fascia sul bordo più settentrionale del continente) e le anomalie calde sulla Groenlandia e sul Canada orientale sono molto più deboli. Inoltre, le anomalie di altezza non si estendono più sopra il Nord Atlantico (contrasta i pannelli inferiori delle figure 3(b) e (c)), in modo che ricorda molto ciò che si vede negli esperimenti di modellazione in cui la stratosfera non è perturbata (Ineson e Scaife 2009), o nei modelli inversi lineari con feedback stratosferici rimossi (Newman e Sardeshmukh 2008).

La lezione dalla figura 3 è questa: con il percorso stratosferico soppresso, ciò che vediamo nella figura 3(c) è semplicemente la componente troposferica della risposta lineare dell’ENSO. Mostra il familiare treno di onde PNA e le anomalie di temperatura del Nord America, ma sopra il Nord Atlantico e l’Eurasia appare molto diverso dalla risposta completa dell’ENSO (figura 3(a)).

A questo punto è naturale chiedersi: perché non sopprimere il percorso troposferico, così da isolare chiaramente il percorso stratosferico? Come si scopre, questo è facilmente realizzabile prendendo la somma degli inverni di El Niño e La Niña, piuttosto che la differenza. I risultati sono mostrati nella figura 4 e rappresentano la ‘risposta non lineare dell’ENSO‘, poiché qualsiasi comportamento lineare è qui eliminato per costruzione. Ricorda che il percorso stratosferico ha la stessa risposta segnale in El Niño e La Niña (figura 2(c)), mentre il percorso troposferico ha risposte quasi uguali e opposte durante queste fasi: prendendo la somma delle fasi opposte dell’ENSO, quindi, è un modo semplice per rimuovere il percorso troposferico e rivelare solo il percorso stratosferico. (Risultati simili possono anche essere ottenuti guardando gli inverni neutri rispetto all’ENSO, con e senza SSW; non mostrato.)La risposta non lineare dell’ENSO nella figura 4(a) sembra essere largamente inesistente. C’è un leggero raffreddamento sull’Eurasia e un leggero riscaldamento sul nord del Nord America, ma queste anomalie non sono statisticamente significative; lo stesso vale per le anomalie di altezza. Questo risultato è in contrasto con quelli di alcuni studi precedenti che mostrano significative non linearità dell’ENSO (Hoerling et al 1997, 2001). Probabilmente, le differenze sorgono perché: (a) usiamo una soglia più bassa per gli eventi ENSO, quindi la dimensione del campione è raddoppiata nel nostro studio; (b) mentre gli studi precedenti considerano solo dicembre-febbraio, noi mediamo su novembre-marzo, riducendo le non linearità dovute alle differenze nel tempismo delle anomalie SST dell’ENSO; e (c) mentre gli studi precedenti considerano gli eventi La Niña principalmente prima del 1975, noi usiamo eventi ENSO distribuiti uniformemente sul record osservativo, che sono meno probabili essere influenzati dalla variabilità decennale del Pacifico (DeWeaver e Nigam 2002).

Ora la domanda chiave diventa, perché la figura 4(a) non mostra il percorso stratosferico, come ci si potrebbe aspettare dalla logica sopra? La risposta è semplice: mentre circa il 60% degli inverni di El Niño e La Niña (tabella 2) hanno SSW, il restante 40% non ne ha. Poiché gli inverni ENSO senza SSW spesso hanno vortici polari forti, e poiché gli impatti di un vortice polare forte sono essenzialmente uguali e opposti (in segno) agli impatti di un vortice polare debole (Limpasuvan et al 2005), tutto ciò che vediamo nella figura 4(a) è una grande cancellazione. Per evidenziare il percorso stratosferico dobbiamo separare la risposta non lineare dell’ENSO in inverni con SSW e inverni senza SSW, come è stato fatto nella figura 3.

Il percorso stratosferico emerge quindi con grande chiarezza nella figura 4(b), attraverso il composito della risposta non lineare dell’ENSO durante gli inverni con SSW. Notate come le anomalie siano molto simili a quelle nel composito SSW nella figura 2(a), confermando che il nostro metodo isola con successo il percorso stratosferico rimuovendo il percorso troposferico. Si osservano anche alcune differenze nelle anomalie di altezza: nei 60 giorni successivi agli SSW (figura 2(a), in basso) le altezze ricordano il pattern NAO negativo e sono concentrate sulle regioni del Nord Atlantico e Europa, mentre nella figura 4(b) (in basso) le altezze sono positive sopra il cappuccio polare e negative sopra il Nord Atlantico, ma ci sono anche anomalie significative di altezza sul settore del Pacifico. Queste potrebbero derivare dai modelli precursori degli SSW, che generalmente presentano anomalie di altezza basse sul Nord Pacifico e alte sul Pacifico centrale (Garfinkel et al 2010, Cohen e Jones 2011). Notiamo anche che queste anomalie, benché più deboli in magnitudine, assomigliano molto alle non linearità dell’ENSO trovate in studi precedenti (Hoerling et al 1997, DeWeaver e Nigam 2002), offrendo forse un’interpretazione alternativa per la risposta non lineare dell’ENSO.

Infine, in assenza di SSW, la figura 4(c) mostra che le anomalie sono essenzialmente uguali e opposte a quelle durante gli inverni con SSW. Questo riflette l’influenza discendente di un vortice polare forte, che è approssimativamente uguale e opposto a quello di un vortice debole (Baldwin e Dunkerton 2001). Quindi, nel composito non lineare completo dell’ENSO (figura 4(a)), le anomalie deboli risultanti sono una conseguenza sia della rimozione del percorso troposferico sia della grande cancellazione tra gli inverni ENSO con un percorso stratosferico e quelli senza. Tuttavia, dato che gli inverni ENSO con un percorso stratosferico si verificano più frequentemente di quelli senza, il modello complessivo di anomalie nella figura 4(a), sebbene debole, tende generalmente a somigliare a quelle associate agli SSW (figura 4(b)).Concludiamo quantificando l’importanza del percorso stratosferico nella tabella 3. Concentrandoci prima sulla colonna di sinistra vediamo che, indipendentemente dagli SSW, la temperatura superficiale sull’Eurasia (30–120°E, 60–75°N) è più fredda e l’indice NAO è sotto la norma durante gli inverni di El Niño. Risposte di segno opposto sono osservate durante gli inverni di La Niña. Questa è la familiare risposta lineare dell’ENSO, illustrata graficamente nella figura 3(a).

Tuttavia, la colonna di sinistra nella tabella 3 non racconta l’intera storia. Se consideriamo separatamente gli inverni con SSW (colonna di mezzo) e senza SSW (colonna di destra) vediamo che la risposta climatica superficiale varia drasticamente a seconda che il percorso stratosferico sia presente o meno. Indipendentemente dalla fase dell’ENSO, le temperature eurasiatiche sono più fredde e l’indice NAO è più negativo durante gli inverni con SSW rispetto agli inverni senza SSW. E le differenze tra gli inverni con e senza SSW sono in generale maggiori delle differenze tra gli inverni di El Niño e La Niña. Notiamo incidentalmente che il clima superficiale durante gli inverni di La Niña varia meno rispetto alle altre fasi dell’ENSO: la stratosfera non sembra impattare il clima superficiale così fortemente durante gli inverni di La Niña.

Il messaggio chiave qui è che mentre la fase dell’ENSO è un robusto predittore del clima per gran parte del Nord America, lo stato della stratosfera è un predittore più significativo per il resto dell’emisfero nord. In alcune parti dell’Eurasia (figure 3(b), (c)), questo potrebbe significare la differenza tra una media invernale di −1,5 °C sotto la norma durante un inverno con SSW e una media invernale di quasi +2 °C sopra la norma durante un inverno senza SSW. E sul Canada orientale e la Groenlandia, potrebbe determinare l’entità e la magnitudine della perdita o crescita del ghiaccio.

La Figura 3 illustra le anomalie di temperatura superficiale (in gradi Kelvin) e di altezza geopotenziale a 500 hPa (in gpm; intervallo di contorno 10 gpm) associate alla differenza composita tra diversi tipi di inverni ENSO, distribuiti in tre pannelli:

1. (a) Connettività ENSO (ENSO teleconnection): Mostra le anomalie risultanti dalla differenza tra tutti gli inverni di El Niño e tutti gli inverni di La Niña. Questo pannello mira a catturare la risposta climatica generale associata alle fasi opposte dell’ENSO, escludendo gli effetti specifici degli SSW. Le anomalie di temperatura e altezza visualizzate qui rappresentano la risposta lineare standard dell’ENSO.
2. (b) ENSO con percorso stratosferico (ENSO w. stratospheric pathway): Include solo gli inverni di El Niño e La Niña in cui si verifica almeno un SSW. Le anomalie in questo pannello mostrano come la presenza di SSW possa influenzare e modificare la risposta climatica dell’ENSO, enfatizzando l’impatto aggiuntivo del percorso stratosferico.
3. (c) ENSO senza percorso stratosferico (ENSO w.o. stratospheric pathway): Considera gli inverni di El Niño e La Niña durante i quali non si verificano SSW. Qui, le anomalie riflettono l’effetto dell’ENSO senza l’influenza degli eventi stratosferici, fornendo un contrasto con il pannello (b) e mostrando la risposta ENSO nella sua forma più “pura” troposferica.

La linea nera (con ombreggiatura grigia) indica le anomalie con un valore di p<0.05 in un test t di Student a due code, evidenziando quelle statisticamente significative. Questo aiuta a distinguere le variazioni climatiche più affidabili e significative da quelle che potrebbero essere il risultato del caso o della variazione naturale.

In sintesi, questa figura aiuta a visualizzare come la risposta dell’ENSO possa variare notevolmente a seconda della presenza o assenza di eventi stratosferici significativi, evidenziando l’importante ruolo del percorso stratosferico nella modulazione delle condizioni climatiche invernali.

La Tabella 2 fornisce un’analisi dettagliata degli inverni classificati come El Niño, La Niña e neutri rispetto all’ENSO, coprendo il periodo dal 1958 al 2013. Ecco i dettagli delle colonne presenti nella tabella:

1. # di inverni: Mostra il numero totale di inverni osservati per ciascuna categoria di ENSO durante il periodo specificato. Ad esempio, ci sono stati 19 inverni classificati come El Niño, 18 come La Niña e 19 come neutri rispetto all’ENSO.
2. Frequenza di SSWs (SSWs/inverno): Questa colonna indica la frequenza media degli SSW (riscaldamenti stratosferici improvvisi) per inverno in ciascuna categoria ENSO. Ad esempio, per gli inverni di El Niño, c’è una media di 0,79 SSW per inverno.
3. # di inverni con almeno un SSW: Indica quanti inverni in ciascuna categoria hanno avuto almeno un evento di SSW. Per El Niño, 11 dei 19 inverni hanno avuto almeno un SSW.
4. # di inverni senza SSWs: Mostra il numero di inverni in ciascuna categoria ENSO durante i quali non si sono verificati SSW. Per gli inverni di El Niño, 8 su 19 non hanno avuto eventi SSW.

Questa tabella è utile per comprendere come la presenza di SSW vari tra differenti condizioni ENSO e per valutare la frequenza con cui questi eventi si verificano in relazione alle fasi dell’ENSO. Mostra anche che, indipendentemente dalla fase ENSO, gli SSW sono più comuni negli inverni di El Niño e La Niña rispetto agli inverni neutri, dove la frequenza è notevolmente inferiore (0,37 SSW per inverno).

La Tabella 3 presenta due tipi principali di dati meteorologici relativi alle variazioni stagionali per diversi tipi di inverni influenzati dall’ENSO:

1. Righe superiori – Anomalia della temperatura superficiale media NDJFM: Questi dati mostrano l’anomalia della temperatura superficiale (in gradi Kelvin) per la regione dell’Eurasia settentrionale (da 30° a 120° E e da 60° a 75° N) durante il periodo da novembre a marzo (NDJFM). Le anomalie sono separate per tutti gli inverni, gli inverni con SSW, e gli inverni senza SSW, per ciascuna fase dell’ENSO: tutti gli anni, El Niño, La Niña e anni neutri rispetto all’ENSO.
   • Ad esempio, durante gli inverni di El Niño con SSW, la temperatura media è inferiore di 1.1 K rispetto alla norma, mentre negli inverni di El Niño senza SSW, la temperatura è superiore di 0.5 K rispetto alla norma.
2. Righe inferiori – Indice NAO medio di JFM standardizzato: Questi dati rappresentano l’indice della Oscillazione Nord Atlantica (NAO) durante i mesi di gennaio, febbraio e marzo (JFM), standardizzato per tutti gli inverni, e separato per gli inverni di El Niño, La Niña e neutri. L’indice NAO influisce sui modelli climatici dell’Atlantico settentrionale e dell’Europa.
   • Ad esempio, l’indice NAO per tutti gli inverni è 0.00, il che indica una media neutra, mentre per gli inverni di El Niño con SSW, l’indice NAO è di -0.44, indicando condizioni più negative dell’indice, che possono correlarsi con inverni più freddi e tempestosi nell’Europa occidentale.

La combinazione di queste due misure in una tabella aiuta a correlare come le temperature superficiali nell’Eurasia settentrionale e l’indice NAO possono variare a seconda della presenza o meno di SSW e delle fasi dell’ENSO. Questi dati sono cruciali per comprendere meglio come i cambiamenti stratosferici durante gli eventi SSW influenzino le condizioni climatiche superficiali in modi che variano significativamente a seconda della fase ENSO corrente.

La Figura 4 illustra le anomalie di temperatura superficiale e di altezza geopotenziale a 500 hPa, relative a diversi scenari invernali influenzati dall’ENSO, ripartiti in tre pannelli principali:

1. (a) Somma ENSO (ENSO sum): Questo pannello mostra le anomalie ottenute dalla somma di tutti gli inverni di El Niño e La Niña. Il focus qui è su evidenziare la risposta climatica complessiva quando si combinano le fasi opposte di ENSO, escludendo specifici eventi di SSW. Le anomalie di temperatura e altezza in questo pannello mostrano l’effetto combinato, ma più mitigato, delle condizioni di El Niño e La Niña.
2. (b) Percorso stratosferico solo (Stratospheric pathway only): Include solamente gli inverni di El Niño e La Niña nei quali si verifica almeno un SSW. Questo pannello mira a isolare l’effetto del percorso stratosferico sull’ENSO, mostrando come gli eventi stratosferici modifichino la risposta climatica standard dell’ENSO. Le anomalie qui sono probabilmente più pronunciate e mostrano variazioni significative rispetto al modello base di ENSO.
3. (c) Vortice forte solo (Strong vortex only): Considera gli inverni di El Niño e La Niña durante i quali non si verificano SSW. Qui, le anomalie rispecchiano gli effetti dell’ENSO in assenza di significative perturbazioni stratosferiche, fornendo un contrasto con il pannello (b) e una visione di come l’ENSO influenzi il clima in condizioni stratosferiche più stabili.

La linea nera (con ombreggiatura grigia) in ogni mappa indica le anomalie con un valore di p < 0.05 in un test t di Student a due code, sottolineando le regioni dove le anomalie sono statisticamente significative.

In sintesi, questa figura è essenziale per visualizzare come la presenza o assenza di eventi stratosferici significativi (SSW) influenzi la risposta climatica dell’ENSO, offrendo una prospettiva comparativa su come il percorso stratosferico possa amplificare o modificare gli effetti delle fasi di El Niño e La Niña sul clima globale.

4. Riepilogo e discussione

Abbiamo dimostrato che la presenza o l’assenza del percorso stratosferico durante gli inverni ENSO fa una differenza molto significativa nella risposta climatica superficiale su ampie parti dell’Artico, del Nord Atlantico e dell’Eurasia. Poiché gli SSW si verificano più frequentemente durante gli inverni ENSO, le anomalie calde sulla Groenlandia e sul Canada orientale e le anomalie fredde sull’Eurasia, così come un modello NAO negativo, potrebbero erroneamente essere associate ai percorsi troposferici di El Niño (e viceversa per La Niña). Tuttavia, come abbiamo mostrato, queste anomalie sorgono solo negli inverni in cui la stratosfera è gravemente perturbata; quando non si verificano SSW, le anomalie di temperatura e di altezza su queste regioni sono piuttosto diverse.

Riconosciamo che la dimensione del campione nel nostro studio è relativamente piccola (solo 56 inverni e solo 35 SSW) e che non abbiamo tenuto conto di altri possibili fattori. Ad esempio, l’Oscillazione di Madden-Julian è stata trovata avere impatti sul clima extratropicale dell’emisfero settentrionale e sulla stessa stratosfera (Garfinkel et al 2012b, Riddle et al 2013). L’Oscillazione Quasi-Biennale (Baldwin et al 2001), l’estensione della copertura nevosa eurasiatica (Cohen et al 2007) e le eruzioni vulcaniche (Brönnimann et al 2007) influenzano anche il clima superficiale durante l’inverno boreale e potrebbero essere stati fattori che hanno influenzato la nostra analisi. Nonostante ciò, la forte firma stratosferica documentata sopra è statisticamente significativa nella nostra analisi. E, cosa più importante, l’importanza del percorso stratosferico è già stata suggerita da numerosi studi di modellazione (ad esempio, Ineson e Scaife 2009): quindi i nostri risultati sono, in un certo senso, una conferma osservativa di precedenti lavori di modellazione.Si potrebbe anche chiedersi se la nostra strategia di concentrarci sugli SSW per identificare l’influenza del percorso stratosferico sul Nord Atlantico e sull’Eurasia sia il modo migliore di procedere, dato che gli SSW sono eventi estremi e quindi statisticamente più difficili da catturare. Un modo alternativo di procedere potrebbe utilizzare, ad esempio, le anomalie dell’altezza geopotenziale della calotta polare, come proxy per un vortice polare anomalamente forte o debole, come è stato fatto in Thompson et al (2002). Il vantaggio di questo metodo è che possono essere inclusi più eventi, sebbene di ampiezza minore, risultando possibilmente in migliori statistiche. Abbiamo, infatti, effettuato quel calcolo e i risultati sono molto vicini a quelli presentati qui. Per i lettori interessati, includiamo tre figure che descrivono quei risultati nel materiale supplementare (disponibile su http://stacks.iop.org/ERL/9/024014/mmedia

Prima di concludere, desideriamo anche chiarire che il legame di causalità tra ENSO e il percorso stratosferico non è completamente compreso. Il semplice fatto che gli SSW sono noti per verificarsi durante gli inverni neutri rispetto all’ENSO è una chiara evidenza che l’ENSO non è l’unica causa degli SSW (la loro causa precisa rimane una questione di ricerca aperta). Pertanto, non è inconcepibile che ciò che abbiamo interpretato come il percorso stratosferico dell’ENSO possa essere una modalità di variabilità completamente non correlata che si è sovrapposta accidentalmente con l’ENSO negli ultimi decenni: tuttavia, ciò è altamente improbabile. Dalla tabella 1 si può vedere che la frequenza degli SSW quasi raddoppia durante gli anni ENSO rispetto agli anni neutri rispetto all’ENSO. Purtroppo, il record osservativo è breve, ma un raddoppio della frequenza ci sembra un’anomalia abbastanza grande da giustificare la nostra interpretazione. Tuttavia, alla conclusione principale di questo studio, aggiungiamo la cautela che la stima quantitativa del percorso stratosferico dell’ENSO riportata sopra potrebbe, in realtà, rappresentare solo un limite superiore, poiché una frazione degli SSW che si verificano durante gli inverni ENSO potrebbe non essere correlata all’ENSO stesso.

Infine, ricordiamo che le anomalie stratosferiche associate agli SSW non si propagano sempre fino alla troposfera, e ciò aumenta la difficoltà nell’incorporare tali informazioni nelle previsioni effettive. Tuttavia, dato che la previsione stagionale è attualmente basata in gran parte sullo stato dell’ENSO, è importante sottolineare che la variabilità stratosferica può modulare gli impatti dell’ENSO durante gli inverni attivi di ENSO, e esercitare influenze uniche sul clima superficiale durante gli inverni neutri rispetto all’ENSO quando potrebbe mancare l’abilità predittiva. Un recente studio di modellazione di Sigmond et al (2013), in cui le simulazioni di previsione dinamica sono state inizializzate durante gli SSW mentre le temperature della superficie del mare erano rilassate alla climatologia, ha mostrato impatti superficiali simili a quelli mostrati sopra come conseguenza degli SSW durante gli inverni neutri rispetto all’ENSO.

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-9326/9/2/024014