L’Oscillazione Decadale del Pacifico (PDO) è stata descritta da alcuni come un pattern di variabilità climatica del Pacifico di lunga durata simile a El Niño, e da altri come una fusione di due modi talvolta indipendenti con caratteristiche spaziali e temporali distinte nella variabilità della temperatura della superficie marina (SST) del Nord Pacifico. Un corpus crescente di evidenze sottolinea una forte tendenza per gli impatti del PDO nell’Emisfero Sud, con anomalie climatiche significative sulla superficie del medio-latitudine dell’Oceano Pacifico Sud, in Australia e in Sud America. Diversi studi indipendenti evidenziano l’esistenza di soltanto due cicli completi del PDO nel secolo scorso: regimi “freddi” del PDO hanno prevalso dal 1890 al 1924 e nuovamente dal 1947 al 1976, mentre i regimi “caldi” del PDO hanno dominato dal 1925 al 1946 e dal 1977 almeno fino a metà degli anni ’90. I cambiamenti interdecennali nel clima del Pacifico hanno impatti diffusi sui sistemi naturali, inclusi le risorse idriche nelle Americhe e numerose peschere marine nel Pacifico settentrionale. Le ricostruzioni climatiche basate sugli anelli degli alberi e sui coralli del Pacifico suggeriscono che le variazioni del PDO, su diverse scale temporali, possano essere rintracciate almeno fino al 1600, sebbene ci siano differenze significative tra le diverse ricostruzioni proxy. Mentre le fluttuazioni del PDO del XX secolo erano più energiche in due periodicità generali – una dai 15 ai 25 anni e l’altra dai 50 ai 70 anni – i meccanismi che causano la variabilità del PDO rimangono incerti. Ad oggi, ci sono poche prove osservative a sostegno di un’interazione accoppiata aria-mare a medie latitudini per il PDO, sebbene esistano diversi meccanismi ben compresi che promuovono la persistenza pluriennale nelle anomalie della temperatura dell’oceano superiore del Pacifico settentrionale.
1. Introduzione
I registri climatici provenienti da tutto il bacino del Pacifico mostrano evidenze di una forte variabilità climatica da interannuale a interdecennale, in casi particolari con scale spaziali estremamente ampie (O(104 km)) di coerenza. El Niño/Oscillazione Meridionale (ENSO) è da lungo tempo riconosciuto come la principale fonte di variazioni climatiche interannuali a scala emisferica per il Pacifico e i tropici globali (Rasmussen e Wallace, 1983). Nelle ultime due decadi del XX secolo, l’oceano Pacifico extratropicale è stato quasi continuamente in uno stato simile a El Niño, nonostante l’assenza di eventi El Niño tropicali nella maggior parte di quegli anni. Questa situazione, iniziata con un inverno estremamente anomalo nel 1976-1977, è stata definita un “regime climatico”, seguendo un cambio di regime nel 1977. Il cambiamento climatico nel Pacifico del 1977 è stato segnalato per la prima volta da Nitta e Yamada (1989) e Trenberth (1990), che hanno descritto un cambiamento repentino nello stato medio della pressione a livello del mare (SLP) nel Pacifico settentrionale. Miller et al. (1994) hanno fornito la prima dettagliata descrizione dei cambiamenti climatici, definendo l’evento del Pacifico settentrionale del 1976/77 un cambio di regime. Biologi hanno osservato cambiamenti significativi nella biota del Pacifico settentrionale alla fine degli anni ’70. Ebbesmeyer et al. (1991) hanno quantificato il cambiamento in 40 variabili “ambientali” (climatiche e biologiche), dimostrando un cambio significativo tra il 1976 e il 1977 in un aggregato di serie temporali. Tuttavia, sono state le osservazioni sul salmone del Pacifico, in particolare la storia delle catture di salmone del Pacifico negli ultimi 70 anni, a fornire le prove più convincenti dell’esistenza di un legame definito tra i cambiamenti climatici interdecennali nel Pacifico settentrionale e le peschere del Pacifico settentrionale. In una serie di articoli, Francis e Hare si sono concentrati sulla produzione di salmone in Alaska e sul suo collegamento con il clima (Francis e Hare, 1994; Hare e Francis, 1995; Francis e Hare, 1997), sostenendo che la produzione di salmone in Alaska fosse meglio rappresentata come regimi alternati, con transizioni improvvise da un regime all’altro.
La gara per descrivere e comprendere i cambiamenti interdecennali nel Pacifico si è intensificata durante gli anni ’90. Latif e Barnett (1996) hanno fornito un confronto tra la variabilità a bassa frequenza osservata e quella simulata da un modello accoppiato oceano/atmosfera, proponendo un meccanismo per la Variabilità Decadale del Pacifico (PDV) con una periodicità di circa 20 anni. Zhang et al. (1997) hanno presentato una serie di analisi che distinguono sottili differenze spaziali tra la variabilità climatica del Pacifico a scale interannuali rispetto a quelle interdecennali. Mantua et al. (1997) hanno sfruttato la maturità della ricerca in rapida evoluzione, sintetizzando ed estendendo i risultati degli studi sul clima, sull’idroclima e sulla pesca, denominando il modello dominante di PDV come Oscillazione Decadale del Pacifico (PDO). Altri studi hanno utilizzato nomi diversi per ciò che noi definiamo PDO, ad esempio: l’Oscillazione Pacifica Interdecadale (IPO) di Power et al. (1997, 1999a) e l’Oscillazione del Pacifico Settentrionale (NPO) di Gershunov e Barnett (1998).
L’insieme della ricerca suggeriva che tre caratteristiche principali distinguessero il PDO da ENSO: in primo luogo, gli eventi PDO del XX secolo persistevano per 20-30 anni, mentre gli eventi ENSO tipici duravano da 6 a 18 mesi; in secondo luogo, le impronte climatiche del PDO erano più evidenti nelle regioni extratropicali, in particolare nel settore del Pacifico Settentrionale/Nord America, mentre le firme secondarie erano presenti nei tropici, il contrario di quanto accadeva con ENSO; e terzo, i meccanismi che causavano la variabilità del PDO non erano noti, mentre le cause della variabilità di ENSO erano relativamente ben comprese (Zhang et al., 1997; Mantua et al., 1997; NRC, 1998).
Un indice del PDO sviluppato da Hare (1996) e Zhang (1996), utilizzato anche da Mantua et al. (1997), corrisponde al primo componente principale (PC) derivato da un’analisi delle funzioni ortogonali empiriche (EOF) non rotazionali delle anomalie mensili “residue” della temperatura superficiale del mare (SST) nel Pacifico settentrionale, a nord del 20°N, per il periodo 1900-1993 (come mostrato nel pannello inferiore della Figura 1). Queste “residue” sono definite come la differenza tra le anomalie osservate e la media globale mensile dell’anomalia SST (vedi Zhang et al., 1997). Una caratteristica notevole di questo indice è la sua tendenza a persistere per molti anni e decenni, con alcuni casi di cambiamenti improvvisi di segno. Basandosi su una serie di studi, i cambiamenti di segno iniziati nel 1925, 1947 e 1977 sono stati classificati come cambi di regime (Hare e Francis, 1995; Zhang et al., 1997; Mantua et al., 1997; Minobe, 1997). Questi e altri studi hanno anche fornito prove che le variazioni del PDO hanno avuto un’influenza considerevole sulle risorse naturali sensibili al clima nel Pacifico e in alcune parti del Nord America nel XX secolo.
Studi successivi hanno rivelato diverse nuove e importanti sfumature in una letteratura in rapida crescita riguardante la Variabilità Decadale del Pacifico (PDV) e la natura del PDO. Le prove che si accumulano suggeriscono che il modello di variabilità del PDO mostra una simmetria robusta nelle variazioni climatiche interdecennali degli emisferi settentrionale e meridionale (es. White e Cayan, 1998; Garreaud e Battisti, 1999; Dettinger et al., 2000), con risposte caratteristiche in Asia orientale, Nord America, Sud America, America Centrale e Australia. I record storici che tracciano aspetti degli ecosistemi marini del Pacifico indicano una forte associazione tra la variabilità del PDO e la produzione di salmone del Pacifico (Beamish e Bouillon, 1993; Beamish et al., 1999; Hare et al., 1999), uccelli marini del Pacifico (Vandenbosch, 2000), produzione di pesce di fondo e zooplancton dell’Alaska nel Pacifico settentrionale centrale e orientale (Hollowed et al., 1998; Francis et al., 1998), e composizioni di specie marine del Golfo dell’Alaska (Anderson e Piatt, 1999), per citarne alcuni. Accurate ricostruzioni di dati strumentali hanno esteso il record del PDO fino al 1854 (Kaplan et al., 2000), e le ricostruzioni paleoclimatiche ora forniscono una prospettiva estesa, anche se a volte contraddittoria, sul comportamento della PDV e del PDO risalente al 1600 (cfr. Minobe, 1997; Evans et al., 2000; Linsley et al., 2000; Biondi et al., 2001; Gedalof e Smith, 2001).
La ricerca sulle dinamiche della Variabilità Decadale del Pacifico (PDV) ha portato a numerosi studi pubblicati, ma attualmente i meccanismi del comportamento dell’Oscillazione Decadale del Pacifico (PDO) restano un mistero (si veda Miller e Schneider (2000) per una recensione esauriente). Nonostante i misteri rimanenti, si sono recentemente evidenziate alcune intuizioni sui meccanismi che favoriscono la persistenza pluriennale delle anomalie climatiche nel Pacifico settentrionale (Schneider e Miller, 2001; Seager et al., 2001; Deser (Clara Deser, NCAR, Boulder Colorado, comunicazione personale); e Barsugli e Battisti, 1998), indicando prospettive promettenti per la prevedibilità della PDV con tempi di anticipo da uno a qualche anno.
Mantua et al. (1997) hanno suggerito che il PDO rappresenti una classe speciale di PDV, definita da un pattern spaziale preferenziale con una gamma di scale temporali interdecadali di variabilità. Sosteniamo qui che il caso di un robusto modello di PDV del PDO sia, nel complesso, rafforzato dai risultati di studi recenti, anche se molte domande critiche sul PDO rimangono senza risposta. Determinare se esista una scala temporale preferenziale per il PDO è cruciale per vari motivi, inclusi i meccanismi coinvolti e come la comprensione di tali meccanismi dovrebbe contribuire allo sviluppo di un sistema di monitoraggio e previsione del PDO. A prescindere dalla prevedibilità del PDO, riteniamo anche che il riconoscimento della variabilità del PDO sia importante poiché dimostra chiaramente che le condizioni climatiche “normali” possono variare su periodi di tempo paragonabili alla durata della vita umana, e anomalie climatiche che persistono per decenni possono avere impatti significativi sugli ecosistemi e sulle società.
Per brevità, in questo articolo forniremo solo una selezione di studi sulla ricerca del PDO, omettendo molti risultati di ricerca significativi. Ci scusiamo per queste omissioni, ma speriamo che la nostra panoramica offra ai lettori una base solida per comprendere lo stato attuale della ricerca sul PDO.
Caratteristiche della PDO (Oscillazione Decadale del Pacifico)
2.1 Modelli Spaziali
I modelli tipici di anomalie della temperatura della superficie del mare, del vento superficiale e della pressione atmosferica a livello del mare durante le fasi calde della PDO sono mostrati nei pannelli superiori della Figura 1. Durante le fasi calde della PDO, le temperature della superficie del mare (SST) tendono ad essere anormalmente basse nel Pacifico settentrionale centrale, in coincidenza con SST anormalmente alte lungo la costa occidentale delle Americhe. Per le medie da novembre a marzo, le anomalie di pressione atmosferica a livello del mare (SLP) durante le fasi calde della PDO si caratterizzano da basse pressioni sul Pacifico settentrionale, che generano venti potenziati in senso antiorario, e da alta SLP sulla parte settentrionale del Pacifico subtropicale, che genera venti potenziati in senso orario. Una SLP insolitamente alta nel Pacifico tropicale occidentale e una bassa SLP nel Pacifico tropicale orientale indicano una fase negativa relativamente debole dell’Oscillazione Meridionale (vedi Trenberth e Shea, 1987). Le anomalie di circolazione della PDO nell’Emisfero Settentrionale si estendono per tutta la profondità della troposfera e sono ben rappresentate dalla persistenza nel modello di teleconnessione Pacifico Nord America (PNA), descritto da Wallace e Gutzler (1981) (non mostrato). Poiché tutti questi modelli derivano da analisi lineari, le anomalie climatiche associate alle fasi fredde della PDO sono semplicemente gli opposti di quelle delle fasi calde della PDO (non mostrato).
la Figura 1 è una rappresentazione grafica che illustra le condizioni climatiche associate alle fasi calde dell’Oscillazione Decadale del Pacifico (PDO) e l’andamento storico dell’indice PDO.
Parte Superiore della Figura:
- Mappa della Temperatura della Superficie del Mare (SST): Mostra anomalie di temperatura, con linee di contorno che rappresentano variazioni misurate in gradi Celsius. Una anomalia positiva (calda) è indicata vicino alle coste occidentali delle Americhe, mentre un’anomalia negativa (fredda) si trova nel Pacifico settentrionale centrale.
- Mappa della Pressione Atmosferica a Livello del Mare (SLP): Le linee di contorno indicano anomalie di pressione in millibar. Un’area di bassa pressione si estende sul Pacifico settentrionale, il che è caratteristico di una fase calda del PDO. Allo stesso modo, un’alta pressione si osserva nel Pacifico subtropicale settentrionale.
- Mappa dello Stress del Vento di Superficie: Le frecce indicano la direzione e l’intensità dello stress del vento, con i vettori più lunghi che rappresentano un maggiore stress del vento. La mappa indica un flusso d’aria rafforzato antiorario sul Pacifico settentrionale e orario nel Pacifico subtropicale settentrionale, coerente con le anomalie di SLP osservate.
Parte Inferiore della Figura:
- Grafico dell’Indice PDO: Mostra l’indice PDO medio da novembre a marzo, rappresentato come deviazione standard dal valore medio per ciascun anno dal 1900 al 2000. Le barre al di sopra dell’asse orizzontale indicano valori positivi dell’indice, suggerendo fasi calde del PDO, mentre le barre sotto l’asse indicano valori negativi, suggerendo fasi fredde del PDO.
La correlazione tra le mappe e il grafico è critica per comprendere l’effetto delle fasi del PDO sul clima. Per esempio, un alto valore positivo dell’indice PDO nel grafico corrisponde a condizioni più calde lungo la costa occidentale delle Americhe e più fredde nel Pacifico settentrionale centrale, come mostrato nella mappa SST.
L’indice PDO è un fattore chiave nella comprensione delle variazioni climatiche su scala decennale nell’Oceano Pacifico e influenza i modelli climatici su scala globale. I valori effettivi delle anomalie per un dato anno in una data località si ottengono moltiplicando l’anomalia climatica mostrata nelle mappe per il valore dell’indice PDO corrispondente.
La figura è stata adattata e aggiornata basandosi sul lavoro di Mantua et al. (1997), che ha contribuito significativamente alla comprensione delle dinamiche climatiche legate alla PDO.
Sebbene la modalità di variabilità della PDO sia stata ampiamente discussa nella letteratura scientifica, la ricerca più generale per comprendere la PDV rappresenta un’area di ricerca estremamente attiva. Una lezione importante è chiara dalla letteratura pubblicata: diverse analisi producono diverse descrizioni della PDV del XX secolo. Alcuni studi trovano prove di lobi distinti e indipendenti di variabilità della temperatura della superficie del mare (SST) del Pacifico settentrionale, incorporati all’interno del modello canonico di PDO mostrato nella Figura 1. Nakamura et al. (1997) hanno esaminato i dati delle SST del Pacifico settentrionale filtrati passa-basso per il periodo 1968–1992 e hanno identificato due centri di azione indipendenti, uno che comprende il fronte subtropicale a nord delle Hawaii e l’altro che comprende il fronte subartico che definisce l’Estensione del Kuroshio/Oyashio. Barlow et al. (2001) hanno analizzato le SST del Pacifico per il periodo 1945–1993 e hanno identificato una coppia differente di modalità delle SST del Pacifico settentrionale, ciascuna correlata spazialmente con il modello canonico di PDO di Mantua et al. (1997). Al contrario, Kaplan et al. (2000) hanno applicato uno schema di interpolazione ottimale ai record disponibili di SST e SLP per il periodo 1854–1992, poi hanno recuperato il modello di PDO come la seconda modalità principale di covariabilità tra i campi globali filtrati a cinque anni (la prima modalità di covariabilità era una modalità di tendenza). Mentre questi risultati producono immagini leggermente diverse del PDV passato, rimane un’abbondante evidenza a sostegno di modalità spaziali che generalmente assomigliano, se non riproducono, il modello canonico di PDO (cfr. Tanimoto et al., 1993; Graham, 1994; Trenberth e Hurrell, 1994; Latif e Barnett, 1994, 1996; Zhang, 1996; Hare, 1996; Mantua et al., 1997; Minobe, 1997; Nakamura et al., 1997; Enfield e Mestas-Nuñez, 1999; Folland et al., 1999; Kaplan et al., 2000; Barlow et al., 2001; Tourre et al., 2001).
2.2 Scale Temporali di Variabilità
La ricerca finalizzata all’identificazione delle scale temporali della Variabilità Decadale del Pacifico (PDV) ha portato a una varietà di risultati, nuovamente in base ai dati esaminati e alle tecniche di analisi impiegate. In una coppia di studi strettamente correlati, Minobe (1999, 2000) ha applicato l’analisi wavelet agli indici delle SST e della SLP del Pacifico settentrionale per l’inverno e la primavera boreali, riscontrando che le fluttuazioni della PDO erano più energetiche per periodicità nei range di 15-25 anni e 50-70 anni. Chao et al. (2000) hanno applicato l’Analisi dello Spettro Singolare a un indice di persistenza per le variazioni delle SST del Pacifico settentrionale, trovando evidenze di variazioni oscillanti con periodicità di 15-20 anni e circa 70 anni. Tourre et al. (2001) hanno usato una tecnica Multi-Taper Method/Singular Value Decomposition (MTM/SVD) per identificare modelli coerenti di variazioni a bassa frequenza delle SST e della SLP del Pacifico nel XX secolo, estendendosi dai 30°S ai 60°N. Il modello canonico di SST della PDO mostrato nella Figura 1 è chiaramente riprodotto dai modelli spaziali della modalità Interdecennale di Tourre et al. (2001) (che presenta un picco di varianza a periodi di 12-25 anni), e risulta simile a quella della loro modalità Decennale (che presenta un picco di varianza a periodi di 9-12 anni) (vedi la figura 2 di Tourre et al. (2001)).
2.3 Ricostruzioni Paleoclimatiche
Per una migliore comprensione del comportamento a lungo termine della PDO, diversi studi hanno riportato su registri ambientali proxy di cambiamenti climatici correlati alla PDO estendendosi per diversi secoli nel passato. Minobe (1997) ha utilizzato le ricostruzioni delle temperature basate sugli anelli degli alberi di Fritts (1991) per retrodatare le temperature dell’aria del Nord America fino al 1600. La EOF dominante mostrava la stessa periodicità di picco di 50-70 anni riscontrata nel record strumentale da cui è stata identificata la PDO. Biondi et al. (2001) hanno impiegato la larghezza degli anelli di alberi soggetti a stress idrico nel sud della California e in Baja California, Messico, per generare una serie temporale paleo-PDO risalente al 1661; Gedalof e Smith (2001) hanno utilizzato cronologie degli anelli degli alberi da un transetto costiero che va dal nord della California al Golfo dell’Alaska per ricostruire un indice PDO risalente al 1600. L’indice PDO era positivamente correlato con il segnale climatico dominante nelle sezioni del ventesimo secolo di queste due dendrocronologie (Figura 2, vedi Tabella 1). Gedalof e Smith (2001) hanno identificato 11 cambiamenti di regime nella registrazione della PDO dal 1650, con il più recente nel 1976/77. Con una durata media di regime di 23 anni, suggeriscono che un altro cambiamento sia imminente verso la fine del secolo. Mentre le due dendrocronologie riflettono gran parte della variabilità interdecennale indicata dagli indici PDO strumentali di Mantua et al. (1997) e Kaplan et al. (2000) (Figura 2), esse mostrano anche periodi in cui evidenziano poca o nessuna corrispondenza reciproca. Questa situazione richiede ulteriori ricerche e sottolinea le opportunità di ridurre l’incertezza della PDV pre-strumentale, forse attraverso ricostruzioni che utilizzano più proxy.I risultati delle ricostruzioni dell’indice della PDO provenienti da regioni esterne al Nord America sono stati anch’essi pubblicati. Evans et al. (2000) hanno analizzato 15 cronologie dendroclimatiche dalle medie latitudini del Nord e Sud America e hanno scoperto che la coerenza registrata nel ventesimo secolo in questi archivi corrisponde da vicino a quella riscontrata nell’indice della PDO. Linsley et al. (2000) hanno esaminato la variabilità del rapporto Stronzio/Calcio in un corallo longevo di Rarotonga, rilevando un marcato segnale della PDO nella storia delle temperature della superficie del mare dedotta dal corallo, che si estende dal 1726 al 1997. Questi ultimi due record proxy sono particolarmente interessanti perché supportano la presenza di una connessione solida tra la PDO e il clima della zona tropicale e dell’emisfero sud (Evans et al., 2001).
La Tabella 1 mostra una matrice di correlazione tra diversi indici e ricostruzioni della Pacific Decadal Oscillation (PDO). I valori numerici rappresentati sono coefficienti di correlazione di Pearson, che quantificano il grado di relazione lineare tra due serie temporali.
Ecco l’interpretazione dettagliata dei valori:
- PDO Index vs. Gedalof: Un coefficiente di 0,55 indica una correlazione positiva moderata tra l’indice strumentale della PDO e la ricostruzione della PDO di Gedalof. Questo suggerisce che circa il 30% della varianza nell’indice PDO è spiegata dalla ricostruzione di Gedalof, dato che il quadrato del coefficiente di correlazione (r²) fornisce la percentuale di varianza condivisa.
- PDO Index vs. Biondi: Un coefficiente di 0,58 implica una correlazione positiva moderata tra l’indice strumentale della PDO e la ricostruzione della PDO di Biondi. Questo indica che la ricostruzione di Biondi spiega all’incirca il 34% della varianza nell’indice PDO.
- PDO Index vs. Kaplan: Un coefficiente di 0,77 indica una forte correlazione positiva tra l’indice strumentale della PDO e la ricostruzione della PDO di Kaplan. Circa il 59% della varianza nell’indice PDO è spiegata dalla ricostruzione di Kaplan.
I valori interni alla matrice rappresentano le correlazioni tra le varie ricostruzioni di Gedalof, Biondi e Kaplan:
- Gedalof vs. Biondi: Un coefficiente di 0,31 indica una correlazione positiva debole, suggerendo che le ricostruzioni di Gedalof e Biondi hanno una sovrapposizione minima nella varianza che ciascuna spiega.
- Gedalof vs. Kaplan: Un coefficiente di 0,58 indica una correlazione positiva moderata, suggerendo che le ricostruzioni di Gedalof e Kaplan condividono una maggiore proporzione di varianza rispetto alla coppia Gedalof-Biondi.
- Biondi vs. Kaplan: Un coefficiente di 0,31, simile al valore Gedalof-Biondi, suggerisce anch’esso una correlazione positiva debole tra le ricostruzioni di Biondi e Kaplan.
La matrice è simmetrica rispetto alla diagonale, il che significa che i valori di correlazione sono gli stessi in entrambe le direzioni (ad esempio, Gedalof-Biondi è uguale a Biondi-Gedalof).
In termini scientifici, questi coefficienti di correlazione indicano il grado di associazione lineare tra le serie temporali considerate, dove un valore di 1 indicherebbe una correlazione perfettamente positiva e un valore di -1 una correlazione perfettamente negativa. Valori vicino a 0 indicano l’assenza di una relazione lineare. Le correlazioni qui evidenziate sono tutte positive, indicando che, in generale, quando un indice aumenta, anche l’altro tende ad aumentare. Tuttavia, la forza di questa associazione varia in base ai coefficienti specifici.
La Figura 2 rappresenta quattro serie temporali di dati relative alla Pacific Decadal Oscillation (PDO) trasformate tramite una media mobile quinquennale per smussare le fluttuazioni a breve termine e mettere in evidenza i trend e i cicli a media scala temporale.
Le serie temporali sono le seguenti:
- Ricostruzione PDO di Gedalof (NW N. Am.): Basata su cronologie dendroclimatiche per il nord-ovest del Nord America, da Gedalof e Smith (2001).
- Ricostruzione PDO di Biondi (S. Cal.): Basata su cronologie dendroclimatiche per il sud della California, da Biondi et al. (2001).
- Indice COADS SST di Kaplan et al. (2000): Un indice basato sulla temperatura della superficie del mare (SST) dal Comprehensive Ocean-Atmosphere Data Set (COADS), che copre il periodo 1854–1992.
- Indice PDO basato su SST di Mantua et al. (1997): Questo indice è derivato dalle misurazioni SST e viene considerato un riferimento standard per l’indice PDO moderno.
Ogni serie temporale è stata normalizzata rispetto al proprio periodo di record, il che significa che per ogni serie di dati, la media è stata sottratta e il risultato è stato diviso per la deviazione standard dei valori. Questo consente di confrontare le anomalie relative all’interno di ogni serie temporale e tra di esse, indipendentemente dalle loro scale assolute. La normalizzazione facilita anche il confronto diretto tra serie temporali con unità di misura o intervalli di variazione diversi.
Le serie temporali sono rappresentate con un offset verticale per evitare sovrapposizioni grafiche che potrebbero rendere difficile la lettura e l’interpretazione dei dati. Ciò consente di visualizzare chiaramente la coerenza o la discrepanza nei modelli temporali tra le diverse serie.
Dalla figura, si può osservare come ciascuna serie temporale mostra una variazione interdecennale, con alcuni periodi di sincronizzazione evidente, suggerendo una possibile comune risposta climatica o influenze simili che influenzano sia le condizioni oceaniche superficiali sia i segnali ambientali registrati negli anelli degli alberi. Le differenze tra le serie potrebbero essere attribuibili a fattori regionali, alla sensibilità degli indicatori utilizzati, o a differenze nei metodi di ricostruzione.
3. Impatti della Oscillazione Decadale del Pacifico (PDO)
3.1 Clima di superficie
Molte delle anomalie climatiche associate alla PDO sono simili a quelle connesse con le variazioni ENSO (El Niño e La Niña), anche se generalmente meno estreme (Latif e Barnett, 1996; Mantua et al., 1997; Minobe, 1997). Le correlazioni tra l’indice PDO di novembre-aprile e i dati grigliati di temperatura di superficie e precipitazioni di Willmott e Matsuura (2000) (vedi anche Willmott e Robeson, 1995) sono mostrate nella Figura 3.
Queste correlazioni suggeriscono i seguenti modelli di anomalie di precipitazione della PDO: le fasi calde della PDO coincidono con periodi anormalmente secchi nell’est dell’Australia, in Corea, in Giappone, nell’Estremo Oriente Russo, nell’interno dell’Alaska, in una cintura zonalmente allungata che va dal Pacifico nord-occidentale ai Grandi Laghi, nella Valle dell’Ohio, e nella maggior parte dell’America Centrale e del nord del Sud America. Le fasi calde della PDO tendono anche a coincidere con periodi anormalmente umidi nella zona costiera del Golfo dell’Alaska, nel sud-ovest degli USA e in Messico, nel sud-est del Brasile, nel centro-sud del Sud America e nell’Australia occidentale.
Le correlazioni suggeriscono inoltre i seguenti modelli di anomalie di temperatura della PDO da novembre ad aprile: le fasi calde della PDO tendono a coincidere con temperature anormalmente alte nel nord-ovest del Nord America, nel nord del Sud America e nel nord-ovest dell’Australia, e con temperature anormalmente basse nell’est della Cina, in Corea, in Giappone, in Kamchatka e nel sud-est degli USA e in Messico. È interessante notare che Minobe (2000) e Cayan et al. (2001) hanno riscontrato che il segnale di temperatura della PDO più evidente in Nord America si verifica in primavera boreale, piuttosto che in inverno.
Studi indipendenti hanno confermato i segnali della PDO nell’emisfero australe. Garreaud e Battisti (1999) hanno esteso lo studio di Zhang et al. (1997) all’emisfero australe, identificando un chiaro modello di cambiamenti simmetrici nella circolazione atmosferica associati alla PDO. Dettinger et al. (2000) hanno trovato evidenze di un modello simmetrico di anomalie di precipitazioni e flusso annuale d’acqua (ottobre-settembre) correlato alla PDO nelle Americhe, dove i periodi caldi della PDO (simili a El Niño) tendono ad avere subtropici anormalmente umidi ma con tropici e medie latitudini secche sia nel Nord che nel Sud America. Power et al. (1997, 1999a, 1999b) hanno esaminato i cambiamenti interdecadali nel clima dell’Australia orientale, scoprendo che i periodi caldi della PDO sono associati a condizioni anormalmente calde e asciutte, mentre i periodi freddi della PDO sono associati a condizioni fresche e umide, in accordo con i campi di correlazione mostrati nella Figura 3.
la Figura 3 consiste in due mappe che illustrano le correlazioni tra l’indice medio della Oscillazione Decadale del Pacifico (PDO) da novembre ad aprile e due variabili climatiche: la precipitazione media e la temperatura media, per lo stesso periodo di tempo (1950-1996), come ottenuto dalle analisi effettuate all’Università del Delaware da Cort Willmott e collaboratori.
Nella mappa superiore, che rappresenta la precipitazione, i coefficienti di correlazione sono codificati a colori:
- I valori negativi di correlazione sono in blu, indicando che un valore più alto dell’indice PDO è associato a meno precipitazioni in quelle regioni. Questo potrebbe tradursi in periodi più asciutti in quelle aree durante le fasi positive del PDO.
- I valori positivi di correlazione sono in rosso e giallo, indicando che un valore più alto dell’indice PDO corrisponde a maggiori precipitazioni in quelle regioni. Ciò suggerisce periodi più umidi in queste aree durante le fasi positive del PDO.
Nella mappa inferiore, che mostra la temperatura, il codice colore segue lo stesso schema:
- I valori negativi di correlazione sono in blu, suggerendo che temperature più basse sono associate a valori più alti dell’indice PDO in queste aree.
- I valori positivi di correlazione sono in rosso e giallo, indicando che temperature più alte sono associate a valori più alti dell’indice PDO.
Le aree con colori più intensi indicano una correlazione più forte, che significa che la relazione tra l’indice PDO e la precipitazione o la temperatura è più coerente in quelle regioni. Al contrario, le aree con colori più chiari o bianchi indicano una correlazione più debole o assente.
Queste correlazioni forniscono intuizioni su come le variazioni della PDO possano influenzare il clima in termini di precipitazioni e temperature su scala globale, evidenziando che le fasi calde o fredde della PDO possono avere impatti significativi su diverse regioni del mondo, influenzando condizioni climatiche come secchezza o umidità e temperature più alte o più basse rispetto alla media.
4. Ecosistemi Marini
Nelle ultime decadi, una serie di studi hanno identificato prove convincenti di connessioni tra la Variazione Decennale del Pacifico (PDV) e le variazioni degli ecosistemi marini del Pacifico. Kawasaki (1991) ha documentato una notevole coerenza nel XX secolo tra le fluttuazioni interdecennali nella popolazione delle sardine al largo del Giappone, della California, del Cile e del Perù (vedi anche Yasuda et al., 1999). Sono stati pubblicati studi che collegano le catture di salmone del Pacifico del XX secolo nell’Asia orientale e nell’America del Nord occidentale alla variabilità della Bassa delle Aleutine da parte di Beamish e collaboratori (Beamish, 1993; Beamish e Bouillon, 1993; Beamish et al., 1999).
Le diverse risposte regionali degli stock di salmoni lungo la costa occidentale del Nord America sono state esaminate da Adkison et al. (1996) e Peterman et al. (1998). I loro ritrovamenti indicavano che gli stock dell’Alaska mostravano una forte e uniforme risposta climatica, mentre gli stock della Columbia Britannica erano eterogenei. Hare et al. (1999) hanno esteso la portata geografica per includere gli stock provenienti da Washington, Oregon e California e hanno analizzato i registri di cattura delle cinque principali specie di salmone. Hanno identificato un “regime di produzione inversa”, associato alla PDO, in cui la fase calda della PDO favorisce un’elevata produzione per gli stock dell’Alaska e una bassa produzione per gli stock di Washington, Oregon e California (WOC). La fase fredda della PDO ha l’effetto opposto sugli stock dell’Alaska e WOC. La sostanza dei risultati della loro analisi è rappresentata nella Figura 4.
La risposta degli stock di pesci demersali alla PDO è stata documentata anche in diversi studi. Un forte incremento nell’arruolamento in un anno coincidente con il cambio di regime del 1976-77 è stato dimostrato per molti stock commercialmente sfruttati nel Pacifico nordorientale da Beamish (1993) e specificamente per il pesce spatola (McFarlane e Beamish, 1992).
Il reclutamento del halibut del Pacifico è stato evidenziato da Clark et al. (1999) come aver subito variazioni interdecennali che si allineano strettamente con le fasi della PDO (Fig. 4). Analogamente ai salmoni dell’Alaska, i halibut prosperano durante le fasi calde della PDO. Hollowed et al. (1998) hanno compilato serie temporali di reclutamento per le principali specie di pesci demersali e pelagici sfruttati in Alaska e nella regione WOC. Hanno riscontrato che, sebbene una larga frazione delle specie sembrasse rispondere più agli eventi ENSO, diverse specie di pesci piatti (come il lenguado freccia, il rombo di Groenlandia, il halibut del Pacifico) mostravano andamenti di reclutamento simili alla PDO. In una delle documentazioni più dettagliate dei cambiamenti avvenuti nel complesso dei pesci demersali, Anderson e Piatt (1999) hanno raccolto 45 anni di dati di rilevamenti effettuati con reti a maglia piccola nel Golfo dell’Alaska. Essi dimostrano che l’ecosistema marino ha subito una trasformazione da uno dominato da specie di prede di livello trofico inferiore (come il capelin, i gamberetti, la lancia di sabbia) prima della metà degli anni ’70, a uno dominato da pesci demersali di livello trofico superiore (come i gadidi e i pesci piatti) a partire da quel periodo.
Altri studi hanno mostrato l’impatto della PDO su altri componenti degli ecosistemi marini e terrestri del Pacifico Settentrionale e del Nord America. Al livello del plancton, sono state documentate le risposte della produttività primaria e secondaria al cambiamento climatico del 1976-77 da Venrick et al. (1987), Brodeur e Ware (1992), Brodeur et al. (1996), Roemmich e McGowan (1995), McGowan et al. (1998), e Mackas et al. (1998). Ai livelli trofici superiori, e per le specie non piscivore, Piatt e Anderson (1995) e Francis et al. (1998) hanno discusso i cambiamenti decennali nelle popolazioni di mammiferi marini e uccelli che si nutrono di pesci, in particolare in risposta al cambiamento di regime climatico del 1976-77.Recentemente, Vandenbosch (2000) ha associato la variabilità delle popolazioni di uccelli marini delle Isole Hawaii e delle Farallon alle fasi della Oscillazione Decadale del Pacifico (PDO). In aggiunta, Cayan et al. (2001) hanno documentato un cambiamento a lungo termine verso un’avanzata dell’inizio della primavera negli Stati Uniti occidentali, come misurato dai tempi di fioritura dei cespugli di lillà e caprifoglio, e la variabilità di questo fenomeno mostra anche una forte correlazione con l’indice della PDO in primavera. In quella che potrebbe essere considerata una delle analisi più ampie fino a oggi sugli impatti climatici estesi sugli ecosistemi del Pacifico del Nord, Hare e Mantua (2000) hanno eseguito un’analisi delle componenti principali su una matrice di 100 serie temporali climatiche e biologiche. Le serie temporali climatiche sono state scelte per rappresentare l’atmosfera e l’oceano nell’intero Pacifico del Nord, mentre le serie temporali biologiche coprivano tutti i livelli trofici. La componente principale dominante presenta la stessa traiettoria temporale della PDO.
5. Dinamica e Prevedibilità
I meccanismi fisici sottostanti la Oscillazione Decadale del Pacifico (PDO) non sono attualmente conosciuti. Alcuni modelli di simulazione climatica producono oscillazioni che assomigliano alla PDO (per esempio, Latif e Barnett, 1994), sebbene spesso per ragioni diverse (NRC, 1998). I meccanismi che generano la PDO determineranno se saranno possibili previsioni climatiche accurate della PDO per uno o più decenni a venire. Anche in assenza di una comprensione teorica, le informazioni climatiche legate alla PDO migliorano le previsioni climatiche stagione per stagione e anno per anno per l’America del Nord a causa della sua forte inclinazione alla persistenza multi-stagionale e pluriennale.
Mentre le cause della PDO rimangono oscure, sono stati identificati diversi meccanismi che favoriscono la persistenza nel clima delle zone extratropicali. Alexander et al. (1999, 2001) dettagliano meccanismi semplici del layer misto che causano la riemersione di anomalie termiche sottosuperficiali da un inverno al successivo. Deser (Clara Deser, NCAR, comunicazione personale) riferisce sulla capacità di riprodurre la struttura di autocorrelazione pluriennale osservata delle temperature superficiali del mare (SST) del Pacifico Nord e dell’Atlantico Nord con un modello semplice di layer misto che incorpora il processo di entrainment. Barsugli e Battisti (1998) utilizzano un modello semplice per dimostrare che le interazioni locali tra aria e mare generano un “smorzamento termico differenziale” sulle anomalie atmosferiche che rendono più rosso lo spettro di variabilità e aumentano la varianza totale oltre a quella che si verificherebbe in assenza di retroazione (feedback).I risultati complementari di Seager et al. (in revisione) e Schneider e Miller (2001 (in stampa)) forniscono un forte sostegno alla prevedibilità pluriennale per aspetti significativi della variabilità oceanica delle medie latitudini. Entrambi gli studi descrivono la risposta dinamica della termoclina nella regione dell’Estensione di Kuroshio/Oyashio (KOE) allo sforzo del vento cumulativo degli ultimi anni. La loro ipotesi propone il seguente scenario: in una situazione con venti di superficie occidentali rafforzati sul Pacifico Nord centrale, per esempio a causa di una Bassa delle Aleutine insolitamente profonda, l’intensificazione locale dei venti occidentali raffredda l’interno del Pacifico Nord tramite flussi di calore di superficie maggiorati e un’advession anomala di Ekman del campo di temperatura meridionale medio; questo schema di vento sposta anche la linea di sforzo del vento nullo a latitudini più basse, generando così onde di Rossby anomale di risalita alla latitudine dello sforzo del vento nullo che si propagano lentamente verso ovest; queste onde di Rossby di risalita eventualmente sollevano la termoclina nella regione KOE uno o più anni dopo; il mescolamento invernale profondo successivo nella regione KOE trasmette le anomalie della termoclina in superficie dove, infine, raffreddano la temperatura superficiale del mare (SST). Il risultato finale è che le stesse anomalie di vento che generano anomalie negative di SST nell’intero Pacifico Nord portano infine a anomalie di SST dello stesso segno nella regione KOE uno o più anni dopo. Quindi, ogni persistenza in questi venti comporterà una persistenza amplificata nel campo delle SST del Pacifico Nord.
La Figura 3 illustra due serie di analisi di correlazione tra l’indice del Pacific Decadal Oscillation (PDO) e i dati climatici.
Nella parte superiore della figura, abbiamo una mappa che mostra la correlazione tra le precipitazioni medie da novembre ad aprile e l’indice medio del PDO nella stessa finestra temporale. La mappa è focalizzata sul Pacifico settentrionale e sulle aree costiere adiacenti, come indicato dalla presenza di latitudini tra i 30°N e i 60°N e longitudini tra i 180°W e i 120°W. Le correlazioni per specifiche regioni o punti, numerati da 1 a 7, sono indicate da barre colorate. I coefficienti di correlazione negativi, che indicano una relazione inversa tra le precipitazioni e l’indice del PDO, sono visualizzati in diverse sfumature di blu. I coefficienti di correlazione positivi, che indicano una relazione diretta tra le precipitazioni e l’indice del PDO, sono mostrati in sfumature di rosso e giallo.
Nella parte inferiore della figura, è rappresentato un grafico a barre che mostra la correlazione tra la temperatura media e l’indice medio del PDO, sempre da novembre ad aprile. Le barre rappresentano il valore del coefficiente di correlazione in differenti anni, che si estendono dal 1924 fino alla fine del XX secolo. Le barre colorate in tonalità di rosa indicano coefficienti di correlazione positivi, mentre quelle in blu indicano coefficienti negativi.
I dati utilizzati per le precipitazioni e le temperature provengono da campi di interpolazione climatologica con griglia di 0.5 gradi (Climatologically Aided Interpolation, CAI), prodotti dall’Università del Delaware. Questi dati sono stati elaborati da Cort Willmott e collaboratori e sono disponibili online.
Queste correlazioni sono importanti per capire come variazioni nell’indice del PDO possano essere associate a cambiamenti significativi nel clima, in particolare per quanto riguarda le precipitazioni e le temperature in diverse regioni del Pacifico settentrionale. Le correlazioni possono essere utili per comprendere gli impatti potenziali del PDO sul clima regionale e sulla gestione delle risorse naturali.
- Discussione e Conclusioni
Abbiamo fornito una revisione degli studi del tardo XX secolo sulla Variabilità Decadale del Pacifico (PDV), con particolare attenzione a una specifica manifestazione della PDV nota come Oscillazione Decadale del Pacifico (PDO). Attualmente, esiste una notevole controversia riguardo al funzionamento del PDO e su come questo possa essere meglio monitorato, modellato e previsto. Le implicazioni nella scienza del PDO sono significative, poiché una comprensione approfondita del PDO potrebbe offrire prospettive ancora più dettagliate sul futuro clima e sui suoi impatti sulle risorse, rispetto a quelle attualmente fornite dalla scienza dell’ENSO da sola.
Crediamo che, nel complesso, i risultati degli studi recenti rafforzino l’ipotesi di una modalità robusta del PDO all’interno del PDV, pur riconoscendo che molte domande cruciali sul PDO restano senza risposta. Indipendentemente dalla prevedibilità del PDO, riteniamo anche che il riconoscimento della variabilità del PDO sia importante, in quanto dimostra chiaramente che le condizioni climatiche “normali” possono variare in periodi di tempo paragonabili alla durata della vita umana, e che anomalie climatiche persistenti da un decennio a pochi decenni possono avere impatti particolarmente significativi sugli ecosistemi e sulle società.
I recenti progressi nella comprensione dei meccanismi di persistenza e dei cambiamenti lenti nelle anomalie della Temperatura Superficiale del Mare (SST) in zone extratropicali offrono una maggiore fiducia nella prevedibilità del PDV su tempi di previsione che vanno da un anno a pochi anni. Un monitoraggio e una previsione accurati del PDO potrebbero portare benefici pratici sia nelle previsioni climatiche stagionali che a lungo termine per regioni selezionate. Gershunov e Barnett (1998), ad esempio, hanno argomentato che la combinazione delle informazioni su PDO e ENSO potrebbe migliorare l’accuratezza delle previsioni climatiche empiriche per il Nord America.
La potenzialità di previsioni precise della Variabilità Decadale del Pacifico (PDV) per periodi oltre alcuni anni si basa sul presupposto che interazioni accoppiate instabili tra oceano e atmosfera e feedback negativi ritardati contribuiscano alla PDV. Le evidenze osservative dirette di queste tipologie di interazioni, almeno al di fuori del Pacifico tropicale, sono intriganti ma non conclusive (vedere NRC, 1998; Miller e Schneider, 2000). Evidenze indirette e strumentali di impatti robusti del PDO all’interno e intorno all’Anello del Pacifico, sia nei tropici che nelle medie latitudini degli emisferi nord e sud, supportano l’idea che le cause della variabilità del PDO abbiano origine nei tropici (Evans et al., 2001).
L’attuale abilità nelle previsioni correlate al PDO deriva dalla persistenza. Questa abilità scompare quando avviene un cambiamento di segno imprevisto nel modello del PDO. Un tale cambiamento – una transizione da fasi calde a fredde del PDO – potrebbe essere avvenuto nel 1998, in coincidenza con la fine dell’El Niño del 1997/98 e l’inizio del successivo episodio di La Niña (Hare e Mantua, 2000; Schwing e Moore, 2000). Tuttavia, poiché non si è certi del funzionamento del PDO, non è possibile affermare con sicurezza che i cambiamenti climatici nel Pacifico del 1998 segnino l’inizio di una lunga fase fredda di 20-30 anni del PDO.
La carenza di comprensione del PDO costituisce un ostacolo sia per il monitoraggio in tempo reale che per la previsione dei cambi di regime del PDO. L’esperienza della comunità di ricerca con l’ENSO ha dimostrato che un miglioramento della comprensione e delle previsioni è stato ottenuto grazie alla sinergia di studi osservativi, teorici e di modellazione (NRC, 1996). Ognuna di queste direzioni nella ricerca sul PDO è stata identificata come alta priorità dal programma internazionale CLIVAR in corso (vedere http://www.clivar.org/). La scienza del PDO è relativamente più recente rispetto a quella dell’ENSO, ma le intuizioni riguardo al PDO si sono susseguite rapidamente nell’ultimo decennio del XX secolo. Ulteriori intuizioni su come funziona il PDO e su come prevedere le variazioni del PDO sono sicuramente in arrivo nel corso del primo decennio del XXI secolo.
Ringraziamenti
Desideriamo ringraziare S. Minobe, R. Allan e un revisore anonimo per aver fornito commenti illuminanti e suggerimenti costruttivi per la revisione di una versione preliminare di questo articolo. Siamo anche grati a R. Francis, E. Miles, J. M. Wallace e W. Wooster per le stimolanti discussioni che hanno contribuito a far progredire la ricerca sulla PDV e sui suoi impatti sul clima regionale e sulle risorse naturali, e a T. Mitchell per lo sviluppo delle routine di mappatura usate per creare la Figura 3. Questo studio è stato stimolato dalle collaborazioni all’interno del Climate Impacts Group dell’Università di Washington, un’iniziativa interdisciplinare presso il Joint Institute for the Study of the Atmosphere and Oceans e la School of Marine Affairs, e finanziato nell’ambito dell’accordo di cooperazione NOAA #NAI17RJ1232 e del Hayes Center. Questo è il contributo JISAO #862.