The tropical Madden-Julian oscillation and the global wind oscillation

Klaus Weickmann
NOAA/ESRL/Physical Sciences Division, Boulder, Colorado
Edward Berry
NOAA/National Weather Service, Dodge City, Kansas

Abstract L’oscillazione globale del vento (GWO) è un fenomeno sub-stagionale che include l’Oscillazione Madden-Julian (MJO) e processi delle medie latitudini come i trasporti di momento meridionale e le torsioni montane. Uno spazio di fase è definito per il GWO seguendo l’approccio di Wheeler e Hendon (2004) per il MJO. A differenza del comportamento oscillatorio del MJO, due processi di rumore rosso definiscono il GWO. Questi spettri di rumore rosso hanno varianze in periodi che circondano la banda di 30-60 giorni comunemente utilizzata per definire il MJO. La correlazione tra MJO e GWO spiega il 25% della loro varianza e i cross-spettri mostrano relazioni di fase ben definite. Tuttavia, esiste ancora una considerevole varianza indipendente nel GWO. Durante gli episodi di MJO e GWO, eventi chiave nella circolazione e nella convezione tropicale, derivati da composizioni, possono essere utilizzati per il monitoraggio e per la valutazione delle previsioni dei modelli, in particolare per le prime tre settimane. Uno studio di caso durante aprile-maggio 2007 si concentra sul GWO e su due orbite di circa 30 giorni di durata con anomalie estreme nello spazio di fase del GWO. Le proiezioni dello spazio di fase del MJO per lo stesso periodo erano parzialmente influenzate da torsioni montane e trasporti meridionali. Lo studio rivela il carattere tropicale-extratropicale degli eventi sub-stagionali e il suo ruolo nella creazione di anomalie lente nella circolazione planetaria su scala e nella convezione tropicale.

1. Introduzione Gli eventi sub-stagionali, con una durata di 10-90 giorni, nella circolazione dell’atmosfera si sviluppano nella banda di frequenza che collega le variazioni meteorologiche sinottiche con il comportamento climatico su base interannuale. Queste fluttuazioni atmosferiche influiscono sulle statistiche degli eventi meteorologici estremi e possono innescare cambiamenti rapidi nel clima interannuale. Tali sviluppi repentini o estremi sono all’avanguardia della previsione meteorologica e climatica. Inoltre, le variazioni sub-stagionali avvengono in una banda di frequenza in cui sono importanti sia la dinamica atmosferica interna sia la forzatura dei confini della temperatura della superficie del mare (SST). Comprendere le scale temporali e spaziali di questo dominio, e la loro interazione con bande temporali adiacenti, è una sfida scientifica ma è anche fondamentale per la modellizzazione del clima globale e le previsioni a lungo raggio.

L’Oscillazione Madden-Julian tropicale (MJO; Madden e Julian, 1972) e i pattern di teleconnessione extratropicali (Wallace e Gutzler, 1981) sono fenomeni che fungono da ponte tra il tempo meteorologico e il clima. Essi hanno cicli di vita intrinseci tra i 10 e i 90 giorni e sono collegati a variazioni nella circolazione globale o quasi globale. Sono stati proposti ulteriori pattern di teleconnessione globale da Branstator (2002) e Weickmann e Berry (2007; di seguito WB). Questi fenomeni globali offrono un indice della circolazione atmosferica in continua evoluzione temporale e dell’influenza in corso delle interazioni coerenti tra tropici ed extratropici. L’esperienza sinottica dimostra che le variazioni globali del momento angolare atmosferico (AAM) possono essere collegate a singoli eventi meteorologici di grande impatto. Questa miscela spaziale e temporale deve essere rappresentata adeguatamente nei modelli meteorologici e climatici utilizzati per le previsioni e le simulazioni climatiche.

Il momento angolare atmosferico (AAM) fornisce un quadro utile (Peixoto e Oort, 1992) per monitorare le conseguenze globali di questi fenomeni meteorologici sub-stagionali e rappresenta un punto di partenza per valutare i loro impatti regionali. Quasi 30 anni fa, Langley et al. (1981) documentarono la presenza di variazioni di circa 50 giorni nella lunghezza del giorno e nell’AAM globale. Anderson e Rosen (1983) collegarono queste variazioni alla MJO e analizzarono una propagazione coerente verso i poli e verso il basso delle anomalie del vento zonale medio zonale. Le anomalie di AAM globale raggiungevano il picco mentre il vento zonale medio zonale si spostava verso le zone subtropicali.

Collegamento con la MJO Il legame con la MJO è stato ulteriormente esplorato da Madden (1987), che dimostrò che il momento angolare atmosferico (AAM) globale è maggiore quando le anomalie convettive della MJO si stanno attenuando vicino al Meridiano di Data. Madden (1987, 1988) propose che le anomalie della coppia di attrito sull’Oceano Pacifico, a est delle anomalie convettive, fossero responsabili dello scambio di momento angolare tra l’atmosfera e la Terra. Anche se la coppia di montagna sembrava essere piccola, indagini successive (Weickmann et al., 1992; Madden e Speth, 1995; Hendon, 1995; Weickmann et al., 1997, di seguito WKS) suggerirono ruoli approssimativamente uguali per le coppie di attrito e di montagna nel guidare i cambiamenti dell’AAM globale.

Oscillazioni Indipendenti dell’AAM In contrasto con l’enfasi sulla MJO, diversi studi (Ghil e Childress, 1987; Dickey, Ghil e Marcus, 1991; Ghil e Robertson, 2002) hanno sostenuto l’esistenza di un’oscillazione separata dell’AAM di circa 40 giorni nell’atmosfera extratropicale, guidata principalmente dalla coppia di montagna e dalla sua interazione con la circolazione zonale asimmetrica. È stata anche proposta una forzatura oscillante dalla coppia di montagna extratropicale nella banda dei 20-30 giorni (per esempio, Lott et al., 2004; Lott et al., 2005). L’idea di oscillazioni globali intrastagionali indipendenti dell’AAM, una guidata dalle coppie di montagna nelle regioni extratropicali e l’altra dalla convezione nei tropici, è stata ipotizzata e il primo processo è stato studiato da Marcus et al. (1994) e Jin e Ghil (1990). Ogni oscillazione sarebbe in grado di stimolare l’altra, quindi sia i segnali convettivi tropicali che quelli della coppia di montagna si manifesterebbero in casi specifici (Madden e Speth, 1995).

Variazione Globale dell’AAM Sub-stagionale Weickmann et al., 2000 (d’ora in poi WRP) hanno anch’essi sostenuto l’esistenza di una modalità separata di variazione sub-stagionale dell’AAM globale, ma piuttosto che essere oscillatoria, hanno ipotizzato che la sua forzatura e evoluzione fossero stocastiche. La fisica sottostante è stata associata al tentativo dell’atmosfera di mantenere l’equilibrio dell’AAM in presenza di eventi di coppia di montagna grandi o raggruppati. Un’analisi della media zonale suggerisce che i flussi impulsivi di momento, specialmente intorno ai 30-40°N, giocano un duplice ruolo: eccitare la coppia di montagna e trasportare il momento risultante dalla regione montuosa sorgente alla regione di attrito attraverso gli eddies di medie latitudini. Una caratteristica distintiva di questo processo di adeguamento è una relazione in quadratura nelle serie temporali globali della coppia di attrito e della coppia di montagna, con la coppia di attrito che precede.

Variazioni Coerenti della Circolazione Le variazioni coerenti della circolazione che accompagnano questo processo includono il noto schema di teleconnessione del Pacifico Nord-Americano (PNA) e le variazioni dell’indice zonale (Weickmann, 2003, indicato in seguito come W03). La scala temporale più lenta che governa l’evoluzione globale di questa modalità è il tempo di decadimento di circa 6 giorni della coppia di attrito globale. Uno spettro di rumore rosso (Wilks, 1995) con un tempo di decadimento di 6 giorni mostrerebbe una varianza a banda larga centrata su 2Π x 6 giorni = circa 40 giorni, e di conseguenza, la coppia di attrito forzerebbe l’AAM in questi periodi. La MJO produce varianza in una banda di frequenza simile e l’interazione tra essa e il processo di rumore rosso di attrito è considerata un prototipo per l’interazione tropicale-extratropicale. Questo processo di interazione è scarsamente simulato nella maggior parte dei modelli di circolazione generale utilizzati per le previsioni e le simulazioni meteorologiche e climatiche – una affermazione da verificare.

Utilizzo dell’AAM come Struttura Utilizzando l’AAM come struttura, WB ha proposto un approccio “dall’alto verso il basso” per monitorare il clima a breve termine e valutare le previsioni sub-stagionali dei modelli di circolazione generale (GCM). Questo approccio include la valutazione delle anomalie medie zonali e l’interazione di processi fisici multi-scala temporale/spaziale all’interno di un quadro di collegamento dinamico tra tempo meteorologico e clima. Gli indici globali forniscono una visione generale dello stato dell’atmosfera e vengono utilizzati per inferire il comportamento medio zonale e poi regionale della circolazione, inclusi i modelli di teleconnessione. WB ha scelto tre indici per rappresentare molteplici scale temporali sub-stagionali. Gli indici giornalieri dell’Oscillazione Madden-Julian (MJO; Madden e Julian, 1972), della coppia di attrito globale e della coppia di montagna globale sono stati combinati per costruire quattro fasi distinte di un modello dinamico sinottico globale (GSDM) dell’atmosfera.

In Questo Studio In questo studio, viene elaborata una definizione più oggettiva del GSDM per applicazioni di monitoraggio e previsione. Questo implicherà la combinazione della MJO, come definita da Wheeler e Hendon (2004, in seguito indicati come WH), con l’oscillazione globale del vento (GWO) definita dal momento angolare atmosferico relativo globale (AAM) e dalla sua tendenza temporale. Sebbene entrambe le “oscillazioni” producano segnali nell’AAM, il segnale della MJO si sviluppa attraverso la forzatura convettiva tropicale e il segnale del GWO è dominato dalla forzatura delle montagne di medie latitudini e dalla dispersione dell’energia delle onde zonali. Uno studio di caso viene utilizzato per introdurre il GWO e in un articolo complementare la MJO e il GWO vengono confrontati utilizzando un’analisi composita.

Sezione 3: Questa sezione analizza la relazione tra la Madden-Julian Oscillation (MJO) e la Global Wind Oscillation (GWO), mettendo in contrasto i loro spettri e cross-spettri. Si dimostra che la MJO è incorporata all’interno della GWO, ma si sottolinea l’importanza di processi indipendenti nelle medie latitudini, oltre alla forzatura convettiva tropicale.

Sezione 4: Viene introdotta l’analisi tramite i grafici di fase per entrambe le oscillazioni e si presenta un riassunto delle caratteristiche dell’MJO e del GWO. Questi grafici di fase vengono poi utilizzati per lo studio del periodo aprile-maggio 2007. I risultati indicano che, sebbene la forzatura convettiva tropicale sia significativa, essa ha una debole proiezione sull’MJO, mentre le proiezioni del GWO sono ampie e principalmente guidate da eventi estremi di torsione montuosa. Viene inoltre esaminata la relazione tra gli indici globali e le anomalie del flusso zonale medio. Infine, si collega una previsione accurata di un avvallamento nell’ovest degli Stati Uniti alla fine di maggio 2007 a una specifica area dello spazio di fase del GWO. Le conclusioni e il riassunto si trovano nella Sezione 5.

Sezione 2: Dati e Calcoli Il set di dati primario utilizzato nello studio è la reanalisi NCEP/NCAR-1 (Kalnay et al., 1996). L’integrale globale del Momento Angolare Atmosferico (AAM) relativo e la sua tendenza temporale vengono calcolati come descritto da Weickmann e Sardeshmukh (1994), usando medie giornaliere di dati a livello sigma (p/ps) raccolti quattro volte al giorno. La tendenza globale è stimata dalla serie temporale globale dell’AAM utilizzando un metodo di differenziazione finita di quarto ordine. Le anomalie sono calcolate rispetto a una climatologia standard del periodo 1968-1996 e standardizzate usando dati medi su 5 giorni dal 1968 al 2006. Le deviazioni standard basate sull’intero record sono riportate nella Tabella 1.

Per l’AAM, un’anomalia integrata zonale e verticale di 1.0×10²⁴ kg m² s^-1 corrisponde a una media verticale e zonale del vento zonale di 2.8 m/s a 30° e 8.4 m/s a 60°. Per la tendenza dell’AAM, un’anomalia integrata di 1.0×10¹⁸ kg m² s^-2 corrisponde a una tendenza della velocità del vento zonale media verticale e zonale di circa 0.2 m s^-1 giorno^-1 a 30°. Vengono utilizzate griglie gaussiane 192×94 per l’analisi integrata zonale e verticale.

3. Confronto tra l’Oscillazione di Madden Julian e l’Oscillazione Globale del Vento: Analisi Cross-Spettrale e Spettrale

WH hanno definito una misura empirica dell’MJO (Madden-Julian Oscillation) attraverso i primi due EOF (Funzioni Ortogonali Empiriche) di un campo multivariato. Questo campo comprende una media tra 15N e 15S del vento zonale a 200 mb, del vento zonale a 850 mb e della radiazione a lunghezza d’onda lunga in uscita (OLR). Hanno chiamato le due serie temporali degli EOF come RMM1 e RMM2. Utilizzando un approccio simile, l’GWO (Global Wind Oscillation) è definita da due quantità dinamicamente correlate: l’anomalia del Momento Angolare Atmosferico (AAM) relativo globale e la sua tendenza temporale, denominate rispettivamente GWO1 e GWO2. La Figura 1 mostra esempi di serie temporali di 120 giorni per l’MJO e l’GWO durante il periodo gennaio-aprile 2006. Anche in questo breve periodo di registrazione, sono evidenti molteplici scale temporali. L’GWO presenta variazioni da 10, 30 e 60 giorni da minimo a minimo o da picco a picco, mentre le variazioni dell’MJO sono più vicine ai 20, 30 e 40 giorni.

Non sorprende che l’MJO e l’GWO siano correlate, dato che l’MJO induce coppie di torsione globali mentre attraversa i tropici. Allo stesso modo, variazioni dell’GWO non correlate all’MJO possono indurre anomalie nella convezione tropicale influenzando il vento tropicale a grande scala e i campi di pressione a livello del mare. Il rapporto tra i due è riassunto nella Tabella 1, dove vengono mostrati i risultati cross-spettrali per le bande di 20-120 giorni e di 30-60 giorni. Gli indici hanno rimosso la media e il ciclo stagionale medio, quindi gli RMM non sono esattamente come definiti da WH.

Dall’analisi emergono diverse osservazioni: 1) Nella banda di 30-60 giorni è evidente un comportamento oscillatorio leggermente più coerente rispetto alla banda di 20-120 giorni. Il COH2 di 30-60 giorni è all’incirca 0.3, confermando che un’oscillazione globale dell’AAM accompagna l’MJO nel suo movimento verso est; 2) GWO1 (AAM) è correlato e quasi in fase con RMM2, mentre la correlazione con RMM1 è leggermente più debole e quasi in quadratura. Questa relazione in linea generale conferma l’osservazione di Madden del 1987, che l’anomalia relativa globale dell’AAM è elevata quando la convezione dell’MJO si attenua attorno alla Linea Internazionale del Cambio di Data; 3) Le relazioni di fase sono quasi identiche nelle due bande, ma l’ampiezza (o la varianza spiegata) è quasi raddoppiata per l’GWO nella banda di 20-120 giorni; 4) La varianza coerente si mantiene nella banda più ampia di 20-120 giorni, in particolare per GWO1 rispetto a RMM2, suggerendo che cambiamenti convettivi tropicali a breve e lungo termine accompagnano i cambiamenti nell’GWO.

La Figura 2 mostra gli spettri di frequenza delle due componenti del MJO (Oscillazione Madden-Julian) e del GWO (Oscillazione Globale delle Onde). Il confronto degli spettri osservati con il background di rumore rosso enfatizza la differenza principale tra i due fenomeni. L’MJO si manifesta come un’oscillazione con un picco nei suoi spettri RMM (Madden-Julian Oscillation RMM Index) intorno ai 45 giorni. Al contrario, il GWO è composto da due processi di rumore rosso; uno con tempi di decadimento rapidi (2 giorni) e l’altro con tempi più lenti (14 giorni), che insieme incorniciano la banda di varianza di 30-60 giorni dell’MJO, portando a una notevole sovrapposizione nella loro firma spettrale.

Esiste una struttura specifica negli spettri del GWO che merita attenzione. GWO1 presenta un picco quasi significativo intorno ai 52 giorni, inclinato verso la banda dei 30-60 giorni, il che probabilmente riflette l’influenza dell’MJO. Tuttavia, questo “picco” è nettamente posizionato su uno sfondo di rumore rosso con una scala temporale di decadimento di 14 giorni, indicando che è un fenomeno distinto dall’MJO. Lo spettro di GWO2 mostra un plateau di varianza che va dai 5 ai 40 giorni, con l’indicazione di massimi separati tra i 5-15 giorni e i 25-40 giorni. Questi picchi sono significativi al 95% rispetto al background di rumore rosso selezionato. La banda dei 5-15 giorni riflette la coppia torcente globale generata da treni d’onda sinottici che attraversano le montagne (come descritto da Iskenderian e Salstein, 1998; W03). Questi eventi inducono piccole ma percettibili risposte nell’AAM (Momento Angolare Atmosferico) globale, come osservato nella Figura 1a. La banda dei 25-40 giorni è anch’essa dominata dalla coppia torcente delle montagne (WRP), che ha una varianza 2-3 volte superiore rispetto alla coppia torcente di attrito in questo intervallo di frequenza. Questa banda è il principale motore sia per la componente MJO che per quella non-MJO del GWO. W03 ha scoperto che il segnale AAM globale dell’MJO è influenzato principalmente dalla coppia torcente di attrito e, in misura minore, dalla coppia torcente delle montagne. Anche se una parte della varianza del GWO è correlata all’MJO, ci sono numerosi eventi sub-stagionali in cui la coppia torcente delle montagne è molto più forte di quella di attrito. Questo suggerisce che un altro processo contribuisce alla variabilità del GWO. Dal punto di vista del AAM globale, il principale candidato è la risposta atmosferica a grandi eventi di coppia torcente delle montagne o a eventi raggruppati che influenzano l’AAM in su e in giù. In media, la coppia torcente di attrito agisce per ricondurre al pianeta Terra l’AAM estratto dalle montagne, e il suo lento tempo di decadimento (circa 6 giorni) contribuisce a stabilire la “durata” tipica del processo di adeguamento. La costante relazione di quadratura tra la coppia torcente delle montagne e quella di attrito nella banda sub-stagionale contribuisce ulteriormente alla concentrazione di varianza del GWO1 nella banda dei 30-90 giorni. WRP ha esaminato gli aspetti globali e zonali degli eventi di coppia torcente delle montagne globali, mentre W03 ha illustrato i modelli orizzontali che li accompagnano. Le frequenze simili coinvolte nell’MJO e in questo processo di adeguamento della coppia torcente montagna-attrito suggeriscono la probabilità di reciproca eccitazione e interazione.”

4. Grafici dello Spazio di Fase I grafici dello spazio di fase introdotti da WH sono un modo efficiente e oggettivo per monitorare l’MJO (Oscillazione di Madden-Julian). Questi grafici sono ampiamente applicati sia nella ricerca diagnostica che dai centri operativi per monitorare le previsioni dell’MJO dei loro modelli (http://www.cdc.noaa.gov/MJO/Forecasts). In questa sezione, introduciamo un grafico di fase simile per l’GWO (Oscillazione Globale di Wheeler) e successivamente, nella Sezione 5, applichiamo entrambe le “oscillazioni” agli eventi sub-stagionali avvenuti durante la primavera 2007 nell’emisfero nord.

Per cominciare, il grafico di fase WH per l’MJO è riprodotto nella Figura 3, mostrando le fasi da 1 a 8 definite come otto segmenti di 45° ciascuno nello spazio di fase di 360°. All’interno del cerchio di frecce sono indicate in caselle di testo gli eventi significativi osservati durante la composizione sui RMM, inclusa la localizzazione della convezione tropicale e i cambiamenti nella circolazione atmosferica su larga scala. All’esterno del cerchio di frecce, sono rappresentati i componenti dell’GWO durante la composizione sui RMM. Le orbite ruotano in senso antiorario (CCW) durante una propagazione verso est dell’MJO, ma possono ruotare in senso orario per vari motivi, tra cui onde tropicali (Roundy et al., 2008) e anomalie della temperatura superficiale del mare (SST). Viene illustrata una sequenza temporale familiare di regioni attive di convezione tropicale e cambiamenti nella circolazione su larga scala durante un’orbita MJO.

La Figura 4 mostra il formato del grafico dello spazio di fase per l’GWO. Le fasi corrispondono a quelle già definite da WH per l’MJO, il che semplifica il monitoraggio in tempo reale e il confronto dei compositi nel lavoro di accompagnamento. Una forte coerenza, elevata al quadrato, tra GWO1 e RMM2 è utilizzata per definire la relazione tra i due spazi di fase. Le frecce tratteggiate indicano un’orbita schematica nello spazio di fase dell’GWO, che può ruotare solo in senso antiorario e non deve necessariamente essere oscillatorio. I flussi occidentali e orientali vengono scambiati con la terra solida durante un’orbita.

All’interno del cerchio di frecce, sono mostrati gli eventi significativi nella circolazione e le relative coppie di torsione superficiali, mentre all’esterno sono rappresentati i compositi per la convezione tropicale. Lungo la traiettoria dello spazio di fase GWO dall’8 all’1, una coppia di torsione frizionale globale negativa è seguita da una coppia di torsione montuosa globale negativa. Questi processi insieme danno luogo a una forte tendenza negativa dell’AAM (Momento Angolare Atmosferico), significando che il momento occidentale viene rimosso dall’atmosfera. Una risposta su scala regionale consiste nel collasso del getto esteso dell’Oceano Pacifico Nord, portando spesso a una depressione negli USA occidentali (esempio discusso nella Sezione 5). L’esperienza di monitoraggio suggerisce che i modelli numerici globali hanno prestazioni scarse in queste situazioni, e sono previsti futuri studi per indagarlo nei modelli.

Durante le fasi dall’8 all’1, la forzatura tropicale si propaga verso est dalla regione del Sud America all’Oceano Indiano. Mentre la convezione si sposta nell’Oceano Indiano, si sviluppano trasporti di AAM polari nella media zonale intorno ai 35N (e 35S). Ciò favorisce una traccia di tempesta spostata verso nord e un modello di connessione tele globale (Branstator 2002) di creste anomale a media latitudine entro la fase 3 (simmetria inter-emisferica). Quest’ultimo stato di base è tipico di La Niña. La capacità di anticipare determinati fenomeni o processi aggiunge una dimensione in più all’attività di monitoraggio in tempo reale dedicata alle previsioni meteorologiche e climatiche a lungo termine.

5. Studio di Caso: Aprile-Maggio 2007 a. Grafici dello Spazio di Fase La Figura 5 rappresenta il grafico di fase dell’Oscillazione Madden-Julian (MJO) per i 59 giorni dal 28 marzo al 25 maggio 2007, applicando una media mobile di 5 giorni. A differenza del grafico standard (per esempio, quello di Wheeler e Hendon), in questo caso si mantengono le variazioni interannuali. Questo comporta uno spostamento leggero (~0,5 sigma) del centro delle orbite verso le fasi di “La Niña” 3-4. L’attività del MJO mostra tre episodi coerenti, durante i quali si osservano proiezioni superiori a un sigma o una propagazione sistematica verso est. Questi episodi sono interrotti da due periodi con segnali quasi nulli, dal 10 al 22 aprile e dall’8 al 15 maggio. Il grafico inizia con un MJO che si è sviluppato sull’Oceano Indiano a metà marzo 2007 (non mostrato) e si trova ora nella fase 5. Dalla fase 5, il MJO si sposta verso la fase 1 prima di indebolirsi intorno al 10 aprile. Il grafico standard della fase MJO (non mostrato) registra proiezioni maggiori di 1 sigma durante questo periodo. Un altro evento debole si sviluppa verso fine aprile 2007 nelle fasi 2-3, si muove brevemente verso est raggiungendo le fasi 4-5 e poi si indebolisce ulteriormente intorno al 6 maggio, ma successivamente si rinforza nuovamente, superando 1 sigma nella fase 7 mentre procede verso est attraverso l'”Emisfero Occidentale e l’Africa”.

Le annotazioni sulla Figura 5 indicano quattro periodi con anomalie estreme nella tendenza dell’Angular Momentum Atmosferico (AAM). Insieme, queste producono due oscillazioni del Global Wind Oscillation (GWO) di circa 30 giorni, le cui traiettorie nello spazio di fase saranno discusse a breve. Il torque montano contribuisce in modo significativo alle tendenze estreme. Nella Figura 5, i due periodi (10-22 aprile e 8-15 maggio) con segnali MJO quasi nulli ma con una forte proiezione del GWO2 sono evidenziati con segmenti di linea più spessi. Questi segmenti si verificano poco prima che la convezione del MJO si rafforzi nuovamente sull’Oceano Indiano alla fine di aprile e sul Pacifico occidentale a metà maggio 2007. Questa connessione è enfatizzata con frecce nere spesse. I compositi che saranno presentati nel documento di accompagnamento confermano queste relazioni tra la tendenza del GWO e le successive anomalie della convezione tropicale.

Passando al GWO, la Figura 6 mostra il suo grafico di fase per lo stesso periodo del MJO mostrato nella Figura 5. Anche in questo caso, le stesse date sono evidenziate con segmenti di linea più spessi. Durante i 59 giorni, si osservano due orbite prominenti: una dal 28 marzo al 25 aprile (29 giorni) e l’altra dal 26 aprile al 26 maggio (31 giorni). La prima rappresenta un’orbita singola, mentre la seconda unisce un’orbita veloce e una lenta. In media, le orbite sono posizionate leggermente lontano dallo zero verso le fasi 3-4, indicando una persistente anomalia negativa dell’AAM globale, caratteristica di uno stato di circolazione associato a La Niña. Questo è un fattore importante da considerare nella previsione sub-stagionale o nel tentativo di comprendere il flusso di energia delle onde lungo le guide d’onda atmosferiche.

La regolarità delle orbite del Global Wind Oscillation (GWO) forma un netto contrasto con le proiezioni più variabili dell’Oscillazione Madden-Julian (MJO) osservate nella Figura 5. La relazione tra le proiezioni del GWO e del MJO, discussa in quella figura, è altresì evidente nella Figura 6. La convezione dell’Oceano Indiano (IO) segue una tendenza negativa estrema a metà aprile, mentre la convezione dell’Oceano Pacifico occidentale (wPO) segue una tendenza positiva estrema all’inizio di maggio. D’altro canto, le altre due tendenze estreme, una a fine maggio e l’altra all’inizio di aprile, sono più strettamente integrate con le anomalie di convezione del MJO, rendendo meno netta la distinzione tra il forzante e la risposta. Ad esempio, all’inizio della prima orbita del GWO, era facile tracciare nei modelli meteorologici giornalieri i vortici atmosferici che rispondevano al forzante tropicale del Pacifico occidentale e a un torque montano positivo proveniente dall’Altopiano del Tibet. La dispersione delle onde di Rossby atmosferiche, legate a entrambi questi meccanismi di forzamento, ha contribuito in modo significativo al flusso di momento zonale medio verso sud attraverso i 40°N. Questo è in linea con la caratteristica del GWO osservata nella fase 6 della Figura 4 e sarà ulteriormente evidente nell’evoluzione dell’Angular Momentum Atmosferico (AAM) zonale descritta nella sezione successiva. Questo è solo un esempio di un processo che può essere previsto quando i segnali nel GWO o nel MJO sono forti e sembrano formare un circuito o un’orbita.

I segnali sub-stagionali più realistici sono notevolmente complessi, e disentangling (scompigliare) le dinamiche di forzante-risposta-feedback non è semplice. Il punto fondamentale è che gli eventi sub-stagionali si evolvono attraverso l’interazione reciproca tra la convezione tropicale e i processi dominati dal torque montano nelle medie latitudini. Per la media zonale, i tropici e le principali regioni montuose sono collegati tramite trasporti di momento meridionale intorno ai 35°N (35°S). Nella sezione successiva, le variazioni della circolazione media zonale sono correlate con il Relative Angular Momentum (MR) globale, mentre si dimostra che il tasso di variazione del MR globale (dMR/dt) è dominato dai torques montani di tre regioni principali: l’Altopiano del Tibet, le Montagne Rocciose del Nord America e le Ande del Sud America.

b. Integrali Zonali-Verticali

La Figura 7 presenta l’integrale globale e zonale-verticale delle anomalie dell’AAM (Angular Angular Momentum, ovvero Momento Angolare Atmosferico ) in corrispondenza di quanto mostrato nella Figura 6. Il pannello inferiore illustra le due orbite in forma di serie temporali, mentre il pannello superiore mostra le relative anomalie medie zonali. Le fasi del GWO (Global Wind Oscillation, ovvero Oscillazione Globale del Vento) e la posizione delle anomalie positive della convezione tropicale sono state segnate sulla serie temporale in basso. Confrontando i pannelli superiore e inferiore si nota che le orbite sono prodotte da variazioni nel flusso zonale medio, approssimativamente nella regione tra 30N e 30S. Le anomalie medie a lungo termine (superiori a 60 giorni) sono negative in questa regione, quindi la Figura 8a mostra un modello di anomalie del flusso di vento orientale intervallate con anomalie quasi nulle, ovvero non anomalie di vento occidentale. Queste anomalie si stanno spostando verso i poli, una caratteristica enfatizzata dalla messa in evidenza dell’asse della tendenza positiva dell’AAM nella Figura 7a. La prima orbita, all’inizio di aprile, mostra un rapido e discontinuo spostamento verso nord nella tendenza positiva zonale dell’AAM, mentre la seconda, all’inizio di maggio, è più lenta e coerente. Questi spostamenti avvengono mentre l’AAM si riprende temporaneamente dai bassi valori osservati alla fine di marzo e alla fine di aprile 2007.

I trasporti di momento meridionale sono la forza principale per gli spostamenti verso i poli. Sebbene l’avvezione da circolazioni di massa tropicali possa innescare gli eventi, questi sono estesi verso i poli e nel tempo dal torque della montagna e dalle favorevoli strutture di eddy a media latitudine. Nell’ambito del modello generale della Figura 7a di flussi zonali medi negativi, ci sono periodi e latitudini in cui si sviluppano e persistono anomalie di vento occidentale. Nella prima orbita ciò si verifica vicino a 35N, mentre nella seconda avviene più debolmente vicino a 20N e 15S. Queste sono correlate a una combinazione di forti flussi di momento meridionale e grandi torque positivi della montagna. Le deboli ma positive anomalie dell’AAM relativo globale viste nella Figura 7b si sviluppano a causa di queste anomalie del vento zonale occidentale. Come mostrato di seguito, queste anomalie zonali si sviluppano in fasce di latitudine che contengono le montagne asiatiche, nordamericane e sudamericane. Sebbene siano immerse in un forte flusso meridionale di momento zonale, le montagne agiscono come ulteriori fonti di momento che hanno impatti regionali a valle e possono persino cambiare il flusso zonale medio globale o zonale.

La Figura 8 mostra l’integrale zonale-verticale e globale della tendenza dell’AAM relativo in corrispondenza della Figura 7. Il bilancio delle anomalie è dominato dalla convergenza del flusso dell’AAM, seguito dal torque della montagna, dal torque frizionale e dal torque di Coriolis, in ordine di importanza (WKS, W03). L’intento qui non è analizzare il bilancio completo, ma piuttosto illustrare il tempismo dei processi fisici importanti durante le due orbite del GWO. Ricordiamo che le orbite iniziano dopo che sono state stabilite le massime anomalie del flusso orientale intorno a 20N e 20S. Il pannello superiore della Figura 8 mostra le tendenze negative che creano queste anomalie e le tendenze positive che seguono e le indeboliscono dopo l’inizio delle orbite.

Nonostante la struttura complicata del campo di tendenza, un confronto accurato con la Figura 7 conferma un movimento verso i poli di eventi discreti di tendenza negativa e positiva, che sono stati evidenziati nella figura. Questi sembrano emanare da nord dell’equatore nell’emisfero settentrionale. La progressione degli eventi negativi e poi positivi è particolarmente ben definita durante la seconda orbita. La convergenza del flusso di AAM (Momento Angolare Atmosferico) è il principale fattore che guida questo comportamento (WKS). Circolazioni anomale di massa meridionale, causate sia dalla convezione tropicale che dai flussi di momento delle onde (eddy), probabilmente guidano le tendenze nella regione tropicale-subtropicale, mentre i flussi di momento delle onde diventano il fattore dominante alle alte latitudini. La connessione temporale suggerita nelle anomalie del flusso zonale medio per periodi di 1-3 mesi tra i tropici e le latitudini polari non è ben compresa dal punto di vista dinamico (riferimenti a Chang, 1998; Feldstein, 1998; Lorenz e Hartmann, 2001; Lee et al., 2007) ma è spesso osservata. In media, la composizione del MJO (Madden-Julian Oscillation) propaga solo fino a 20N (20S), quindi non fornisce una spiegazione completa. In generale, l’interazione tra i trasporti di momento, il torque della montagna e la forzatura convettiva tropicale è ancora scarsamente compresa.

La convergenza del flusso di AAM non può produrre una tendenza globale dell’AAM, ma può portare ad anomalie del vento zonale che a loro volta producono torque zonale e globale della montagna. I due grandi eventi di trasporto di momento precedentemente citati sono segnati sulla Figura 8 e coincidono con le due grandi tendenze globali osservate nel pannello inferiore. I trasporti meridionali sono diretti verso sud all’inizio di aprile e a inizio-metà maggio. Le curve colorate nel pannello inferiore confermano che i torque della montagna dovuti alla topografia nordamericana e asiatica contribuiscono in modo significativo alla prima tendenza, mentre la topografia sudamericana e asiatica contribuisce sia alla tendenza più piccola all’inizio della seconda orbita sia alla tendenza molto più grande dieci giorni dopo.

Per comprendere a fondo la progressione della curva di tendenza del Momento Angolare Atmosferico (AAM) mostrata nella Figura 8, è necessaria un’analisi quantitativa dei dati unita a una modellazione diagnostica. Tuttavia, ai fini della previsione meteorologica, le Figure 3 e 4 illustrano una sequenza di eventi previsti che possono essere monitorati e anticipati, facilitando così la valutazione delle previsioni dei modelli e lo stato atmosferico futuro probabile. In questo studio di caso, gli eventi che tipicamente si verificano nelle fasi 8-1 sono stati utilizzati per prevedere un avvallamento atmosferico nell’ovest degli Stati Uniti, sviluppatosi circa tra il 20 e il 23 maggio, che ha portato a tempeste locali gravi nelle Grandi Pianure e a notevoli anomalie di temperatura e precipitazioni in tutto il paese. La previsione iniziale si basava sull’entità della tendenza positiva intorno al 10 maggio, mentre ci si trovava nella fase 4-5, e sul fatto che si era già verificata una orbita.

Una sequenza sinottica ben conosciuta accompagna le fasi 8-1: il getto del Pacifico si intensifica, si estende verso est e poi si disgrega, lasciando un profondo avvallamento sul sud-ovest degli Stati Uniti. L’accelerazione del getto zonale medio durante le due orbite è evidenziata dalle grandi tendenze positive zonali (globali) del Momento Angolare Atmosferico intorno ai 30N nella Figura 8a (e nella Figura 8b). La forzatura delle onde per il primo di questi eventi è stata descritta nella sezione precedente. Naturalmente, la sfida consiste nel determinare quando e se il getto si disgregherà, e ciò implica considerare gli impatti sia dello stato sinottico che dello stato interannuale. Queste interazioni su più scale temporali non possono essere trascurate nella diagnosi di eventi sub-stagionali.

Sommario e Conclusioni

L’Oscillazione Globale del Vento (GWO) è stata introdotta come un ulteriore strumento per monitorare e comprendere le variazioni sub-stagionali della circolazione atmosferica globale. È definita utilizzando la AAM (Momento Angolare Atmosferico) relativa globale e la sua tendenza, e quando rappresentata in un diagramma di fase, sono definite otto fasi. Gli spettri di frequenza sono stati utilizzati per contrapporre le oscillazioni di circa 45 giorni dell’MJO (Oscillazione di Madden-Julian) con il comportamento a più scale temporali e di tipo “rumore rosso” della GWO. Uno studio di caso di aprile-maggio 2007 confronta l’evoluzione temporale della GWO e dell’MJO. La GWO si è mostrata forte e coerente durante lo studio a differenza di una proiezione transitoria e debole per l’MJO. Le variazioni della GWO erano collegate ad anomalie del flusso zonale medio nelle regioni tropicali tra i 30°N e i 30°S. Durante due orbite ben definite della GWO, le anomalie di un segno in questa fascia di latitudine sono sostituite da anomalie di segno opposto, mentre le anomalie originali si spostano verso i poli. Le coppie di montagna incorporate nei forti flussi di momento meridionale hanno contribuito con ulteriori fonti e pozzi di momento in specifiche fasce di latitudine e hanno anche avuto un importante contributo alla tendenza della AAM relativa globale. Sono state osservate anomalie di vento zonale da ovest provenienti dalle fasce di latitudine che contengono importanti catene montuose, in particolare in Asia e Sud America. La MJO può produrre un segnale nella GWO, come mostrato dalla moderata correlazione tra di loro. Tuttavia, è stato sostenuto che una modalità separata di variazione domina la GWO, legata alla circolazione atmosferica che si adatta a grandi eventi di coppia di montagna o raggruppati. Sia la MJO che la GWO producono anomalie di vento zonale nella fascia tropicale, quindi è ragionevole supporre che le oscillazioni possano interagire ed eccitarsi a vicenda. Queste “oscillazioni” vengono monitorate in tempo reale come componenti principali del modello dinamico sinottico globale introdotto da Weickmann e Berry (2007). Comprendere i processi dinamici spiegati dalla GWO permette una valutazione più sofisticata dei modelli numerici come parte di un processo di previsione completo. Uno studio complementare utilizza la GWO per costruire compositi di otto fasi di pattern teleconnettivi zonali medi e globali. Questi vengono confrontati con i pattern compositi dell’MJO. Le differenze tra i compositi suggeriscono che la GWO è dominata dalla dispersione delle onde di Rossby zonali, mentre l’MJO ha una prominente dispersione meridionale delle onde di Rossby. Esiste anche una differenza nei centri di azione della convezione tropicale: per l’MJO, l’Oceano Indiano e l’ovest del Pacifico sono in fasi opposte, mentre per la GWO sono l’Oceano Indiano e la regione del Dateline. L’anomalia di convezione legata alla GWO attraversa rapidamente l’Indonesia e l’Oceano Pacifico occidentale rispetto all’anomalia di convezione dell’MJO.

La Tabella 1 presenta dati statistici relativi all’oscillazione globale del vento, specificamente le deviazioni standard per due diversi indicatori:

La tabella è intitolata “Cross spectrum analysis between the MJO and GWO” che si traduce in “Analisi dello spettro incrociato tra MJO e GWO”. Questa analisi è usata per capire come due segnali temporali (in questo caso l’MJO e il GWO) siano correlati in termini di frequenza e fase.

La tabella è suddivisa in due colonne principali che corrispondono a due bande di frequenza diverse:

1. 20-120 giorni: Questa colonna si concentra sulle oscillazioni e le correlazioni che si verificano nei periodi che vanno da 20 a 120 giorni.
2. 30-60 giorni: Questa colonna si concentra sulle oscillazioni e le correlazioni che avvengono nei periodi che vanno da 30 a 60 giorni.

Per ogni banda di frequenza, abbiamo:

• RMM1 e RMM2: Sono gli indici utilizzati per monitorare l’MJO. RMM sta per “Real-time Multivariate MJO series” (Serie multivariata in tempo reale dell’MJO). I numeri accanto a RMM1 e RMM2 (es. 0.58, 0.65) rappresentano la coerenza al quadrato tra l’MJO e il GWO per quegli indici.
• GWO1 e GWO2: Sono gli indici per l’Oscillazione di Wheeler e Hendon. Gli indici sono probabilmente associati a diversi aspetti o componenti del GWO. I numeri al di fuori delle parentesi indicano ancora la coerenza al quadrato, mentre i numeri all’interno delle parentesi rappresentano la frazione della varianza spiegata da quella correlazione. Quando presente, il terzo numero (dopo la frazione della varianza) indica la fase in radianti tra l’MJO e il GWO.

Quindi, per esempio, guardando la prima cella sotto “20-120 giorni” per GWO2, abbiamo:

• Coerenza al quadrato di 0.2, indicando una correlazione debole tra GWO2 e RMM1 per questa banda di frequenza.
• Il numero tra parentesi (0.45) indica che il 45% della varianza di RMM1 può essere spiegata da GWO2 in questa banda di frequenza.

La fase in radianti non è sempre riportata, suggerendo che non in tutti i casi la fase tra i segnali è stata considerata significativa o determinata. La presenza di una fase ci dice quanto uno dei segnali è avanti o indietro rispetto all’altro. Ad esempio, “-1.3” indica che GWO2 è in ritardo rispetto a RMM1 per quella banda di frequenza.

Il testo sotto la tabella è un’ulteriore spiegazione di come leggere i valori della tabella, fornendo il contesto per i numeri riportati e spiegando che si riferiscono alla varianza contenuta nelle bande di frequenza e alla fase tra le oscillazioni.

La figura si compone di due sotto-figure, etichettate come (a) e (b), che mostrano le variazioni temporali di alcuni indici atmosferici per i primi quattro mesi dell’anno 2006.

Pannello (a): GWO (Global Wind Oscillation)

• Il grafico mostra due serie temporali: una rappresenta la derivata rispetto al tempo del momento angolare atmosferico globale (dMw/dt), indicata in blu, e l’altra rappresenta l’indice GWO, indicata in rosso.
• La derivata del momento angolare atmosferico (dMw/dt) può essere intesa come una misura di quanto velocemente sta cambiando il momento angolare dell’atmosfera terrestre, che è strettamente legato ai venti globali e ai modelli di circolazione atmosferica.
• L’indice GWO è una misura composta che tiene conto di varie componenti della circolazione atmosferica, inclusi i venti e la pressione, per monitorare e caratterizzare lo stato della oscillazione del vento globale.
• I numeri 10, 30 e 60 sopra i picchi di queste curve possono indicare i giorni in cui si sono verificati eventi significativi o potrebbero rappresentare intervalli di tempo regolari usati per segmentare i dati.

Pannello (b): MJO (Madden-Julian Oscillation)

• Questo grafico presenta le serie temporali per due indici chiamati RMM1 e RMM2. Questi sono legati alla Madden-Julian Oscillation, che è un fenomeno tropicale caratterizzato da una banda di pioggia che si sposta verso est attraverso i tropici, influenzando il tempo e il clima.
• RMM1 e RMM2 sono due componenti che rappresentano la posizione e l’intensità dell’MJO. Tipicamente, queste due componenti sono utilizzate per tracciare la fase e l’ampiezza dell’MJO.
• Anche qui, i numeri come 20, 30, 40 e 50 potrebbero indicare giorni specifici o fasi dell’MJO.

Entrambi i grafici hanno linee tratteggiate orizzontali che probabilmente indicano valori di riferimento o punti di “zero” attorno ai quali si misurano le anomalie. Le anomalie sono deviazioni dalla norma, e in questo contesto, esse indicano variazioni significative che possono essere correlate con eventi meteorologici specifici.

In generale, la figura sembra essere intesa per mostrare la relazione temporale tra le variazioni del momento angolare e l’oscillazione del vento globale nel pannello superiore, e le fasi dell’MJO nel pannello inferiore, e come queste possono corrispondere o influenzarsi a vicenda nel contesto della meteorologia e del clima globale.

La figura 2 presenta quattro grafici separati (a, b, c, d), relativi a spettri di frequenza per componenti differenti in un sistema o in un fenomeno di studio.

Ciascuno dei grafici mostra due curve principali: una in blu e una in rosso. La curva blu rappresenta lo spettro di frequenza, che mostra come le varie frequenze contribuiscono al segnale o al fenomeno in studio. La curva rossa sembra essere un rumore di fondo o una baseline di riferimento ottenuta dalla e-folding time (il tempo di dimezzamento esponenziale) delle serie temporali.

Gli spettri di frequenza sono rappresentati con barre di errore che indicano l’incertezza o la varianza associata a ciascun punto. Le didascalie fanno riferimento a diverse condizioni o set di dati: RMM1, RMM2, GW01, e GW02, che potrebbero essere abbreviazioni per specifici stati o configurazioni del sistema in analisi.

Per “e-folding time” (spesso indicato con τ), si intende il tempo necessario affinché una quantità diminuisca del suo valore iniziale di un fattore e (la base dei logaritmi naturali, approssimativamente uguale a 2.71828). Questo termine è spesso usato in contesti in cui è presente un decadimento esponenziale, come nel caso di serie temporali che descrivono processi fisici, chimici o biologici.

La figura include anche note che indicano come sono state stimate alcune delle caratteristiche, come il grado di libertà (df) per il 95% dei livelli di confidenza, e le linee verticali che indicano un intervallo di confidenza di ±2 standard deviation (2σ) intorno al tempo medio di e-folding.

In sintesi, questa figura fornisce un confronto tra le misurazioni o le simulazioni di spettri di frequenza per differenti condizioni o stati, evidenziando le differenze nella distribuzione delle frequenze e nell’intensità dei segnali rilevati o simulati. Per una spiegazione più dettagliata e precisa, sarebbe necessario contestualizzare i dati all’interno del testo dell’articolo o del rapporto da cui sono stati tratti.

La Figura 3 è un diagramma a fase di Wheeler e Hendon, utilizzato per monitorare la Madden-Julian Oscillation (MJO), una caratteristica importante della variabilità intrastagionale nell’atmosfera tropicale. L’MJO consiste in distinte fasi di convezione potenziata e soppressa che si muovono verso est attraverso i tropici.

Il diagramma è diviso in otto fasi che corrispondono a diversi schemi di convezione (cioè, la formazione di nubi e precipitazioni) e circolazione atmosferica lungo i tropici. La posizione di una particolare fase MJO è indicata sul diagramma dalle coordinate (RMM1, RMM2), che sono gli indici di Wheeler e Hendon. Questi indici sono calcolati da una serie di osservazioni atmosferiche e sono utilizzati per identificare la forza e la posizione dell’MJO.

Le fasi sono numerate da 1 a 8 e si susseguono nel seguente modo:

1. Il primo quadrante (fasi 1 e 2) rappresenta la convezione nell’Oceano Indiano che si sposta verso est.
2. Nel secondo quadrante (fasi 2 e 3), l’MJO si sposta verso la regione marittima continentale, dove la convezione è tipicamente più debole.
3. Il terzo quadrante (fasi 4 e 5) indica un ulteriore spostamento verso est con rinforzata convezione nell’Oceano Pacifico occidentale.
4. Infine, il quarto quadrante (fasi 6, 7 e 8) mostra la fase dove la convezione si sposta oltre il Pacifico, influenzando le condizioni meteorologiche dell’emisfero occidentale e dell’Africa.

Le frecce indicano la progressione tipica dell’MJO da una fase all’altra in un ciclo continuo. Questo modello di movimento è associato a cambiamenti nelle precipitazioni, nella temperatura e nei modelli di vento.

Le etichette su ogni fase suggeriscono gli effetti associati in quelle regioni, come le transizioni a cicloni subtropicali nel Pacifico occidentale o cambiamenti nella convezione sull’Africa e l’Oceano Indiano.

Le anomalie standardizzate sugli assi indicano l’intensità dell’MJO; valori elevati di RMM1 e RMM2 indicano una MJO forte e attiva, mentre valori vicini allo zero indicano una MJO debole o inattiva.

La figura anche menziona il termine “RWD” che potrebbe riferirsi a un pattern di onda Rossby, e “PNA” che si riferisce al pattern climatico del Pacifico Nord-Americano, entrambi influenzati dalla MJO.

Per avere una comprensione completa di questa figura, è importante conoscere il contesto specifico in cui è stata creata, comprese le metodologie di calcolo per gli indici RMM1 e RMM2 e il modo in cui le fasi della MJO influenzano la meteorologia e la climatologia nelle varie regioni tropicali.

La Figura 4 è un diagramma che illustra i rapporti dinamici tra vari fenomeni atmosferici o oceanici, possibilmente legati a modelli di circolazione atmosferica o oceanica.

Il “Global Weather Oscillation” (GWO) rappresentato nella figura è un modello proposto dagli autori del documento per descrivere le variazioni globali del tempo atmosferico. Il GWO include l’oscillazione Madden-Julian (MJO), ma è anche influenzato da processi alle medie latitudini, come l’interazione con le montagne e il trasporto del momento meridionale.

Le otto fasi del GWO sono state sincronizzate con quelle del MJO attraverso un’analisi cross-spettrale (come mostrato nella Tabella 2 del documento), tuttavia, si sottolinea che il GWO e il MJO non sono esattamente in fase o in quadratura (un termine tecnico che indica una differenza di fase di 90 gradi, o un quarto di ciclo, tra due oscillazioni), come potrebbe sembrare dalla figura.

Le scale temporali rapide e lente tendono a raggrupparsi in certe fasi del GWO, ciò significa che la fase del GWO può spostarsi più velocemente o più lentamente a seconda della sua posizione nello spazio delle fasi. Le frecce tratteggiate e troncate nella figura suggeriscono che il GWO non è un fenomeno oscillatorio regolare; piuttosto, tende ad essere stimolato e poi a decadere.

Il testo all’interno della sequenza di frecce si basa su compositi dei dati per le otto fasi durante la stagione DJF (Dicembre, Gennaio, Febbraio), mentre il testo all’esterno della sequenza di frecce mostra anche il collegamento del GWO con le anomalie della convezione tropicale. Viene notato un movimento rapido della convezione attraverso l’Indonesia e l’ovest del Pacifico durante le fasi 3-6, in contrasto con quello che si osserva con il MJO (mostrato in Figura 3).

In sintesi, la Figura 4 rappresenta un modello proposto che cerca di catturare la complessa interazione tra il MJO e fenomeni atmosferici a latitudini medie, nonché il loro impatto sul tempo atmosferico globale. Il GWO è raffigurato come un processo che si sposta attraverso vari stati o fasi, con una dinamica che non è strettamente periodica ma caratterizzata da episodi di intensificazione e attenuazione.

La figura 5 è un diagramma scientifico che mostra la variabilità interannuale dell’oscillazione Madden-Julian (MJO) e dell’El Niño-Southern Oscillation (ENSO) per il periodo dal 28 marzo al 25 maggio 2007. Ecco una spiegazione più dettagliata:

1. Assi RMM1 e RMM2: Questi assi rappresentano probabilmente le due componenti principali (RMM1 e RMM2) dell’MJO, che sono comunemente utilizzate per visualizzare la fase e l’ampiezza dell’MJO. L’MJO è una perturbazione tropicale che influenza significativamente i modelli meteorologici.
2. Linee Rosse e Blu: Queste linee tracciano la progressione dell’MJO attraverso diverse fasi nel tempo. La linea rossa indica il primo ciclo dell’oscillazione globale del vento (GWO), mentre la linea blu rappresenta il secondo ciclo. La progressione di queste linee mostra come si evolve e si muove l’MJO attraverso diverse fasi.
3. Spostamento verso le Fasi di La Niña: La trama indica che durante questo periodo il clima stava passando a una La Niña in rinforzo, che si riflette nello spostamento delle orbite (i percorsi delle linee rosse e blu) verso le fasi 3 e 4 dell’MJO. Queste fasi corrispondono ai tipici schemi meteorologici di La Niña.
4. Tendenza Estrema del AAM Globale Relativo: La figura segna quattro istanze di tendenza estrema del AAM (Angular Atmospheric Momentum) globale relativo, che sono significative perché possono influenzare la forza e lo sviluppo dell’MJO. Questi sono segnati sul diagramma insieme ai periodi di tempo in cui si sono verificati.
5. Linee Ispessite: Parti delle linee rosse e blu sono ispessite per denotare periodi di grande tendenza del AAM, suggerendo che questi periodi precedono la crescita delle proiezioni dell’MJO durante la fine di aprile e la fine di maggio.

In sintesi, la figura visualizza l’interazione tra l’MJO, un importante schema di onda atmosferica, e il ciclo ENSO, concentrandosi in particolare su come la fase e l’intensità dell’MJO possono essere influenzate da condizioni come La Niña. I dati rappresentati nello spazio di fase contribuiscono a comprendere come questi fenomeni climatici su larga scala interagiscono nel tempo.

La figura è un diagramma di fase per la Global Wind Oscillation (GWO) per un periodo specifico, che nel tuo caso è dal 28 marzo al 25 maggio 2007. Il GWO è un indice che rappresenta la circolazione atmosferica globale e viene spesso utilizzato per studiare e prevedere eventi legati al clima, come il fenomeno ENSO (El Niño-Southern Oscillation).

Ecco un’analisi dettagliata dei vari componenti della figura:

1. Anomalia della Quantità di Movimento Angolare Relativo (AAM):
   • Sull’asse verticale (Y), abbiamo l’anomalia della AAM globale, che riflette le variazioni nella distribuzione del momento angolare atmosferico relativo alla rotazione terrestre. Se l’atmosfera guadagna momento angolare, diventa più sincronizzata con la rotazione della Terra e questo è indicato da valori positivi. Se perde momento angolare, diventa meno sincronizzata, indicato da valori negativi.
2. Derivata del Momento Angolare Relativo rispetto al Tempo (dM/dt):
   • L’asse orizzontale (X) mostra la velocità di cambiamento del momento angolare relativo. Valori positivi a destra indicano che il momento angolare sta aumentando, mentre valori negativi a sinistra indicano che sta diminuendo.
3. Orbite e Colori:
   • Le linee rosse e blu indicano due percorsi distinti (o orbite) del GWO attraverso il suo spazio di fase durante il periodo osservato. Questi percorsi mostrano le variazioni temporali e le tendenze nel momento angolare.
   • La linea rossa mostra il primo ciclo, mentre la linea blu mostra il secondo. I numeri lungo le linee indicano i giorni del mese, mostrando come si muove il GWO giorno per giorno.
4. Segmenti di Linea Spessi:
   • Le parti delle linee che sono state ispessite indicano momenti in cui le tendenze del momento angolare sono particolarmente estreme, come un massimo positivo per la tendenza blu e un minimo negativo per la tendenza rossa. Questo suggerisce che ci sono stati cambiamenti significativi nella circolazione atmosferica durante questi periodi.
5. Anomalie della Convezione Tropicale:
   • Intorno alle orbite, ci sono etichette come “none” o “IndO”, che indicano la posizione delle anomalie dominanti della convezzione tropicale, che è un elemento chiave nella modulazione del clima globale.
   • “None” indica l’assenza di anomalie OLR (Outgoing Longwave Radiation) negative ben definite, che sono associate a nuvolosità e precipitazioni intense.
6. Frecce Nere:
   • Le frecce nere suggeriscono una connessione tra le anomalie di tendenza marcate e la posizione successiva della convezione tropicale. Questa relazione proposta potrebbe essere utilizzata per prevedere dove la convezione tropicale si sposterà, influenzando così i modelli climatici e meteorologici.

Questo diagramma è utile per i meteorologi e i climatologi perché fornisce una visualizzazione delle interazioni complesse tra la circolazione atmosferica e i fenomeni climatici come ENSO. Interpretare correttamente il diagramma richiede una comprensione della fisica atmosferica e della dinamica del sistema climatico.

La figura 7 riguarda l’analisi dell’anomalia dell’AAM (Angular Angular Momentum) zonale relativa in relazione alla latitudine e al tempo per un periodo di 90 giorni. Qui, l’AAM si riferisce alla quantità di momento angolare atmosferico rispetto all’asse di rotazione della Terra, che è un fattore importante nella dinamica atmosferica e climatica. Ecco una spiegazione dettagliata di entrambe le parti della figura:

Parte a) Analisi delle anomalie dell’AAM zonale

• Asse Y (verticale): rappresenta le latitudini, dalla regione equatoriale (0°) fino ai poli (90° Nord e Sud).
• Asse X (orizzontale): rappresenta il tempo su un periodo di 90 giorni.
• Linee verticali tratteggiate: indicano i limiti temporali di eventi o osservazioni specifiche, possibilmente orbite satellitari, come menzionato nella descrizione fornita.
• Contorni neri: mostrano il valore totale dell’AAM zonale ad intervalli regolari. Questi contorni potrebbero rappresentare aree di alta pressione (massimo momento angolare) e bassa pressione (minimo momento angolare).
• Sfumature colorate: indicano le anomalie dell’AAM zonale rispetto alla media, con colori diversi che rappresentano anomalie positive (probabilmente più caldi) e negative (probabilmente più freddi).
• Frecce e annotazioni: descrivono il movimento dell’AAM zonale e le anomalie del flusso d’aria. Le frecce nere mostrano il movimento verso i poli delle anomalie positive dell’AAM, mentre le frecce rosse sottolineano le zone di flusso anomalo da ovest, spesso associate a condizioni meteorologiche più dinamiche e potenzialmente turbolente.
• Termini “mid-lat jets”: si riferiscono a periodi specifici in cui c’era un forte flusso zonale westerly (da ovest verso est) sia totale che anomalo, indicativi di getti a media latitudine che sono caratterizzati da venti forti e possono influenzare il tempo meteorologico e i modelli di circolazione.

Parte b) Serie temporale dell’AAM globale

• Asse Y (verticale): mostra l’anomalia dell’AAM zonale globale, presumibilmente scala per una costante (1.25) per enfatizzare le variazioni.
• Asse X (orizzontale): rappresenta lo stesso periodo di tempo della parte (a).
• Linea: traccia l’anomalia dell’AAM zonale sommata su tutte le latitudini, fornendo una misura complessiva di come il momento angolare atmosferico è distribuito globalmente nel tempo.
• Numeri e lettere (IO, wP): indicano i tempi in cui c’erano eventi convettivi significativi nell’Oceano Indiano (IO) e nel Pacifico occidentale (wP). Questi eventi possono alterare significativamente il momento angolare atmosferico, influenzando la circolazione atmosferica a scala globale.

In sintesi, la Figura 7 illustra come le anomalie nell’AAM zonale, sia a livello regionale (parte a) sia a livello globale (parte b), possono variare nel tempo e come questi cambiamenti siano correlati a fenomeni atmosferici importanti come i getti a media latitudine e la convezione nei grandi bacini oceanici. Queste anomalie possono avere impatti significativi sul tempo e sul clima a livello locale e globale.

La figura 8 è un grafico scientifico che mostra una serie di grafici complessi relativi al momento angolare atmosferico relativo (AAM) della Terra e l’influenza delle coppie di montagne di vari continenti su di esso.

Il pannello superiore (etichettato ‘a’) mostra una mappa a contorni con diversi colori che indicano diversi livelli della tendenza del momento angolare atmosferico relativo globale. Questa mappa utilizza linee di contorno per rappresentare i cambiamenti nel momento angolare della Terra su scala globale, con specifici intervalli contrassegnati da “2,0×10¹⁸ kgm²s^-2” per le linee di contorno e “0,5×10¹⁸ kgm²s^-2” per gli intervalli di ombreggiatura. I simboli “+” e “-” evidenziano il movimento delle tendenze positive e negative attraverso le latitudini.

Il pannello inferiore (etichettato ‘b’) mostra grafici delle serie temporali di diverse misurazioni durante un periodo (da aprile a giugno 2007), rappresentati da diversi colori:

• La curva nera rappresenta la tendenza del momento angolare atmosferico relativo globale, che è probabilmente una misura di come la rotazione della Terra sta cambiando nel tempo a causa della distribuzione della massa atmosferica.
• La curva rossa indica la coppia di montagna asiatica, che è l’influenza delle montagne asiatiche sul momento angolare della Terra.
• La curva blu rappresenta la coppia di montagna nordamericana.
• La curva verde rappresenta la coppia di montagna sudamericana.

Queste coppie si riferiscono all’effetto che le catene montuose hanno sul momento angolare dell’atmosfera terrestre a causa del modo in cui possono alterare i modelli di vento.

Le “fasi GWO” menzionate nel grafico inferiore probabilmente si riferiscono all’Oscillazione Globale del Vento, che è un concetto utilizzato per descrivere e prevedere i cambiamenti nei modelli di circolazione atmosferica. Queste fasi aiutano i meteorologi a comprendere e prevedere i modelli meteorologici, come il “trough sopra gli USA occidentali” menzionato nella descrizione.

Il testo che accompagna la figura discute di un caso specifico (“evoluzione della fase 8-1 a fine maggio”) che è stato utilizzato per fare una “previsione della settimana 2” di un modello meteorologico, illustrando come queste misurazioni possono essere applicate nella previsione meteorologica.

In sintesi, la Figura 8 visualizza le complesse interazioni tra la rotazione della Terra, la distribuzione della massa atmosferica e l’influenza di caratteristiche geografiche su larga scala come le catene montuose su queste dinamiche, utilizzate nelle scienze atmosferiche per comprendere e prevedere i modelli meteorologici.

https://psl.noaa.gov/map/clim/wb08_final.pdf