The tropical Madden-Julian oscillation and the global wind oscillation

L’oscillazione globale del vento e l’oscillazione di Madden-Julian tropicale

ABSTRACT
L’oscillazione globale del vento (GWO) è un fenomeno sub-stagionale che integra l’oscillazione di Madden-Julian tropicale (MJO) e processi a medie latitudini, quali i trasporti di momento meridionale e i torques montani. Lo spazio di fase per il GWO viene definito seguendo il metodo proposto da Wheeler e Hendon per il MJO. A differenza del comportamento oscillatorio del MJO, il GWO è descritto da due processi di rumore rosso. Questi spettri di rumore rosso presentano varianza nei periodi di 30–60 o 30–80 giorni, che coincidono con le bande definite per il MJO. La correlazione tra MJO e GWO è di circa 0.5, e gli spettri incrociati evidenziano relazioni di fase coerenti e ben definite nelle bande di frequenza simili. Tuttavia, esiste una considerevole varianza indipendente nel GWO. Una distinzione dinamica fondamentale si osserva nella direzione della dispersione dell’energia delle onde a medie latitudini, che è prevalentemente meridionale durante il MJO e zonale durante il GWO. Questo è tipicamente un tratto della stagione invernale nell’Oceano Pacifico. Un caso di studio specifico durante aprile-maggio 2007 si focalizza sul GWO e su due cicli di circa 30 giorni con anomalie estreme nello spazio di fase del GWO. Le proiezioni dello spazio di fase del MJO per lo stesso periodo erano irregolari e, secondo gli autori, influenzate in parte da torques montani e trasporti meridionali. Lo studio di caso sottolinea come multipli processi fisici e scale temporali concorrano alla formazione di anomalie nella circolazione planetaria e nella convezione tropicale che evolvono lentamente.

1. Introduzione

Gli eventi sub-stagionali della circolazione atmosferica, con durate tra i 10 e 90 giorni, rappresentano una fase cruciale di collegamento tra le variazioni meteorologiche sinottiche e il comportamento climatico interannuale. Queste fluttuazioni influenzano significativamente le statistiche relative agli eventi meteorologici estremi e possono scatenare cambiamenti rapidi nel clima interannuale. Tali evoluzioni, sia improvvisi che estremi, costituiscono la frontiera delle previsioni meteorologiche e climatiche.

Inoltre, le interazioni tra le dinamiche atmosferiche interne, come il jet stream, e le forzature esterne, come la temperatura della superficie del mare, sono fondamentali per l’evoluzione del sistema accoppiato oceano-atmosfera. Comprendere le dimensioni temporali e spaziali di questa banda, così come le sue interazioni con le fasce temporali adiacenti, è una sfida scientifica con implicazioni dirette nella modellazione del clima globale e nelle previsioni a lungo raggio.

L’oscillazione di Madden-Julian tropicale (MJO) e i modelli di teleconnessione extratropicale rappresentano fenomeni chiave che collegano il meteo quotidiano con i cambiamenti climatici a lungo termine. Essi hanno cicli di vita compresi tra i 10 e 90 giorni e sono strettamente legati alle variazioni della circolazione globale o quasi globale. Fenomeni aggiuntivi di teleconnessione globale, proposti da Branstator (2002) e Weickmann e Berry (2007, indicati come WB07), offrono metodi per monitorare l’evoluzione temporale della circolazione atmosferica su larga scala, la distribuzione della convezione tropicale, e l’influenza continua delle interazioni tropicali-extratropicali.

Il momento angolare atmosferico (AAM) offre un quadro utile, come delineato da Peixoto e Oort nel 1992 (capitolo 11), per tracciare i fenomeni meteorologici e climatici sub-stagionali e costituisce un punto di partenza per monitorare i loro impatti regionali. Quasi 30 anni fa, Langley et al. (1981) documentarono variazioni di circa 50 giorni nella lunghezza del giorno e nell’AAM globale. Queste variazioni furono associate all’MJO da Anderson e Rosen nel 1983, i quali analizzarono una propagazione coerente verso il polo e verso il basso delle anomalie del vento zonale medio. Le anomalie dell’AAM globale raggiungevano il picco man mano che tali anomalie del vento si muovevano verso i subtropici.

Madden, nel 1987, esplorò ulteriormente la connessione dell’AAM con l’MJO, dimostrando che l’AAM globale è massimo quando le anomalie di convezione dell’MJO si attenuano vicino alla linea del cambio di data. Propose inoltre che le anomalie del torque frizionale sopra il bacino dell’Oceano Pacifico, a est delle anomalie di convezione, fossero responsabili dello scambio di momento angolare tra l’atmosfera e la Terra. Nonostante il torque montano sembrasse piccolo, studi successivi proposti da Weickmann e collaboratori nel 1992 e nel 1997 suggerirono che il torque frizionale e montano avessero ruoli pressoché equivalenti nel guidare i cambiamenti globali dell’AAM.

In contrasto con il focus sull’MJO, studi successivi come quelli di Ghil e Childress nel 1987 e Ghil e Robertson nel 2002, hanno proposto l’esistenza di un’oscillazione dell’AAM di circa 40 giorni, forzata principalmente dalle montagne e dalla loro interazione con anomalie di circolazione zonalmente asimmetriche. Inoltre, è stata suggerita l’esistenza di un forzamento oscillatorio del torque montano extratropicale nella banda dei 20-30 giorni, come evidenziato da Lott e collaboratori nel 2004 e nel 2005. L’ipotesi di oscillazioni globali intrastagionali indipendenti dell’AAM, una indotta dai torques montani nell’extratropico e l’altra dalla convezione nei tropici, è stata esplorata ulteriormente nei lavori di Marcus et al. nel 1994 e di Jin e Ghil nel 1990.

Weickmann et al. (2000, di seguito denominato WRP) hanno proposto l’esistenza di una modalità separata di variazione sub-stagionale del momento angolare atmosferico (AAM) globale. A differenza di una oscillazione non lineare, questa è considerata una modalità lineare forzata stocasticamente (Sardeshmukh e Sura 2009). La dinamica sottostante e la scala temporale sono legate al tentativo dell’atmosfera di mantenere l’equilibrio globale dell’AAM di fronte a eventi di torque montano di grandi dimensioni o raggruppati.

Le analisi compositive rivelano modelli di onde atmosferiche sopra le principali catene montuose che generano anomalie del vento, sia orientali che occidentali, sulla topografia. Questi modelli si propagano a valle e hanno la capacità di trasportare l’AAM in direzione meridionale. Le analisi della media zonale confermano flussi impulsivi di momento, in particolare attraverso latitudini di circa 30°–40°N. Questi flussi svolgono un ruolo duplice: stimolano il torque montano e trasportano il momento risultante dalle regioni montuose a quelle di attrito tramite vortici di medie latitudini.

Un aspetto caratteristico di questo processo di regolazione è una relazione in quadratura nelle serie temporali globali del torque di attrito e montano, con il torque di attrito che precede. Le variazioni coerenti della circolazione che accompagnano questo processo includono il noto schema di teleconnessione del Pacifico–Nord America (PNA) e le variazioni dell’indice zonale (Weickmann 2003, di seguito W03).

La lenta scala temporale che regola l’evoluzione globale di questa modalità extratropicale separata è determinata da un tempo di decadimento di 6 giorni del torque frizionale globale (WRP). Uno spettro di rumore rosso (Wilks 1995) con un tempo di decadimento di 6 giorni mostrerebbe una varianza a banda larga centrata intorno ai 40 giorni, facendo sì che il torque frizionale induca variazioni dell’AAM con energia concentrata in questa frequenza. L’MJO produce varianza in una banda di frequenza simile, e l’interazione tra quest’ultimo e il processo di rumore rosso frizionale, dominato dalle medie latitudini, è considerata un prototipo per l’interazione tropicale-extratropicale.

Utilizzando l’AAM come framework, WB07 ha promosso un approccio globale-regionale per monitorare le variazioni climatiche a breve termine e valutare le previsioni sub-stagionali prodotte dai Modelli di Circolazione Globale (GCM). Ciò include la valutazione delle anomalie della media zonale e l’interazione di multipli processi fisici su diverse scale temporali-spaziali all’interno di un quadro di collegamento dinamico meteo-climatico. Gli indici globali offrono una panoramica sullo stato dell’atmosfera e sono collegati al comportamento medio zonale e quindi regionale della circolazione, inclusi i modelli di teleconnessione. WB07 ha selezionato tre indici per rappresentare molteplici scale temporali sub-stagionali.

Indici giornalieri dell’MJO (Madden e Julian 1972), del torque frizionale globale e del torque montano globale sono stati combinati per costruire quattro fasi distinte di un modello dinamico sinottico globale (GSDM) dell’atmosfera.

In questo studio, viene formulata una definizione oggettiva del GSDM (Global Synoptic Dynamic Model) per applicazioni di monitoraggio e previsione. Questo processo include l’integrazione dell’MJO, come definito da Wheeler e Hendon (2004, di seguito WH04), con l’oscillazione globale del vento (GWO), determinata dal momento angolare atmosferico (AAM) relativo globale e dalla sua tendenza temporale. Sebbene entrambe le “oscillazioni” generino segnali in AAM, il segnale dell’MJO è prodotto dalla forzatura convettiva tropicale e dalla dispersione dell’energia delle onde meridionali, mentre il segnale del GWO è principalmente influenzato dalla forzatura montana alle medie latitudini e dalla dispersione dell’energia delle onde zonali. Inoltre, il ciclo vitale del GWO comprende fasi che ricordano il modello di teleconnessione circumglobale studiato da Branstator (2002).

Un caso studio è utilizzato per introdurre il GWO, mirando principalmente a illustrare un evento sub-stagionale con un segnale marcato nello spazio di fase del GWO, ma debole e irregolare nello spazio dell’MJO. Osservazioni di anticipazione e ritardo indicano che brevi episodi di proiezione sull’MJO potrebbero effettivamente essere influenzati da campi di anomalie della circolazione collegati ai torques montani globali e ai trasporti di momento zonale medio.

Nella sezione 3, analizziamo la relazione tra l’MJO e il GWO, mettendo in evidenza le differenze nei loro spettri e spettri incrociati. Mostriamo che, sebbene l’MJO sia parte del GWO, processi indipendenti alle medie latitudini, insieme alla forzatura convettiva tropicale, sono cruciali per il secondo. Nella sezione 4, presentiamo i grafici di fase per entrambe le oscillazioni, offrendo un riassunto delle caratteristiche di MJO e GWO. Questi grafici sono poi utilizzati per esaminare il periodo da aprile a maggio 2007. I risultati evidenziano che, sebbene la forzatura convettiva tropicale sia significativa, aveva una proiezione debole sull’MJO, mentre le proiezioni del GWO erano notevoli e principalmente guidate da eventi estremi di torque montano. Esaminiamo anche la relazione tra gli indici globali e le anomalie del flusso zonale medio. Infine, una previsione riuscita della seconda settimana per un avvallamento negli Stati Uniti occidentali a fine maggio 2007 viene collegata a una specifica area dello spazio di fase del GWO, una zona in cui i modelli di previsione spesso incontrano difficoltà e presentano bassa prevedibilità nelle previsioni da 1 a 3 settimane. Le conclusioni sono presentate nella sezione 5.

2. Datasets e Calcoli

Il dataset principale utilizzato in questo studio è il reanalysis 1 del National Centers for Environmental Prediction–National Center for Atmospheric Research (NCEP–NCAR), basato sui dati di Kalnay et al. 1996. Il momento angolare atmosferico relativo globale (MR) e la sua tendenza temporale sono calcolati seguendo il metodo descritto da Weickmann e Sardeshmukh nel 1994, utilizzando dati medi giornalieri.

Il MR è definito tramite l’integrazione delle componenti della velocità zonale, della latitudine e della pressione superficiale, e viene calcolato considerando specifici parametri fisici come il raggio della Terra e la gravità. La tendenza globale del MR nel tempo è stimata utilizzando una serie temporale di MR attraverso un metodo di calcolo che sfrutta le differenze finite di quarto ordine.

Le anomalie sono determinate rispetto a una climatologia standard del periodo 1968–1996, e normalizzate utilizzando dati mediati su cinque giorni raccolti tra il 1968 e il 2006. Le deviazioni standard, basate sull’intero record, sono riportate in dettaglio nella Tabella 1. I test effettuati, che comparano il ciclo annuale calcolato su 365 giorni di deviazioni standard con un valore unico annuale, non hanno mostrato variazioni significative nei risultati.

Per facilitare la comprensione a chi non è familiare con le unità di MR, nella Tabella 1 è inclusa una conversione delle misure di MR in unità di velocità del vento zonale. Qui, la velocità zonale media globale corrispondente al valore di MR è calcolata basandosi sulla gravità, il raggio della Terra e la pressione superficiale.

Un esempio pratico è il ciclo stagionale in cui il Momento Angolare Atmosferico Relativo (MR) si caratterizza per una media annuale di circa 1.4 x 10^26 kg m^2 s^-1, con una variazione annuale media tra 1.4 x 10^26 kg m^2 s^-1 e 1.7 x 10^26 kg m^2 s^-1. I valori equivalenti per la velocità del vento zonale sono rispettivamente di 5.4, 4.6 e 6.5 metri al secondo.

Per una specifica fascia di latitudine, è possibile collegare il valore di MR alla media zonale e verticale del vento zonale. Per esempio, un’anomalia di MR di 1.0 x 10^24 kg m^2 s^-1 corrisponde a un’anomalia del vento zonale medio verticale e zonale di 2.8 metri al secondo a 30° e 8.4 metri al secondo a 60°.

Nel contesto dello studio di caso sugli eventi estremi del GWO, le anomalie equivalenti erano di 61 metri al secondo per il vento zonale medio globale e 65.6 metri al secondo a 30°. Per la tendenza, le anomalie equivalenti sono di 0.15 metri al secondo al giorno per la media globale e 0.8 metri al secondo al giorno a 30°. Il torque montano da catene montuose individuali come le Montagne Rocciose, l’Altopiano del Tibet e le Ande può contribuire a oltre il 50% di questa tendenza.

La Tabella 1 mostra le deviazioni standard per l’Oscillazione Globale del Vento (GWO) e per l’equivalente del vento zonale medio globale. La tabella confronta le deviazioni standard utilizzando dati giornalieri e dati mediati su periodi di cinque giorni (pentad) per due differenti misurazioni del GWO:

1. GWO1 (MR), che riguarda il momento angolare relativo.
2. GWO2 (dMR/dt), che indica la variazione temporale del momento angolare relativo.

Per GWO1 (MR):

• Con dati giornalieri, la deviazione standard è pari a 1.25 x 10^25 kg m² s^-1.
• Con dati pentad, questa deviazione standard è leggermente inferiore, 1.24 x 10^25 kg m² s^-1. La differenza tra i due metodi di raccolta dati per MR è minima, indicando che la media su cinque giorni non riduce significativamente il rumore nella serie temporale di MR.

Per GWO2 (dMR/dt):

• I dati giornalieri mostrano una deviazione standard di 1.84 x 10^19 kg m² s^-2.
• I dati pentad riducono questa deviazione del 25%, portandola a 1.38 x 10^19 kg m² s^-2. Questo suggerisce che la media su cinque giorni ha un impatto più sostanziale sulla riduzione del rumore per le misure di variazione temporale rispetto alle misure dirette del momento angolare.

La tabella evidenzia come l’uso di dati pentad sia particolarmente efficace nel ridurre la deviazione standard della serie temporale della variazione del momento angolare, in linea con i tempi di e-folding delle misurazioni, che indicano il tasso al quale le fluttuazioni decrescono nel tempo.

3. Confronto tra l’Oscillazione Madden-Julian e l’Oscillazione Globale dei Venti: Analisi Spettrale e Cross-Spettrale

WH04 ha definito una misura empirica dell’Oscillazione Madden-Julian (MJO) utilizzando i primi due EOF di un campo multivariato che include la media zonale del vento a 200 mb e 850 mb e l’Outgoing Longwave Radiation (OLR) tra 15°N e 15°S. Queste due serie temporali degli EOF sono denominate RMM1 e RMM2. In modo analogo, l’Oscillazione Globale dei Venti (GWO) è stata definita attraverso due quantità dinamicamente correlate: MR e la sua derivata temporale, dMR/dt, chiamate rispettivamente GWO1 e GWO2.

Nella Figura 1 sono presentate serie temporali di esempio della durata di 120 giorni per MJO e GWO, rilevate tra gennaio e aprile 2006. Si osservano variazioni multiple su scale temporali diverse. Il GWO mostra variazioni con periodicità di 10, 30 e 60 giorni, mentre le fluttuazioni dell’MJO presentano cicli più estesi di 20, 30 e 40–50 giorni.

Gli indici MJO e GWO mostrano una correlazione evidente. L’MJO induce momenti torcenti sia all’interno che fuori dai tropici, propagandosi verso est, con componenti remote associate alla dispersione delle onde di Rossby meridionali. Similmente, il GWO può innescare anomalie nella convezione tropicale attraverso le anomalie dei venti tropicali e della pressione atmosferica al livello del mare legate al momento di frizione, o attraverso la dispersione dell’energia delle onde di Rossby extratropicali verso i tropici legate al momento montano.

La Tabella 2 riassume i risultati dell’analisi cross-spettrale per le bande di frequenza 20–120 giorni e 30–80 giorni, queste ultime utilizzate per definire l’MJO. È importante notare che, per tutti gli indici, sono stati rimossi solamente la media e il ciclo stagionale medio, pertanto gli RMM non corrispondono esattamente a quelli definiti da WH04.

Le differenze tra le due bande sono generalmente minime. La correlazione più forte si verifica tra GWO1 e RMM2, con un massimo quasi in fase di 0,62 nella banda 30–80 giorni (evidenziato in grassetto nella Tabella 2). Questo risultato conferma, in linea generale, l’osservazione di Madden (1987) riguardo alla relazione tra MR e la convezione tropicale dell’MJO. Tuttavia, è anche influenzato dalla componente del vento zonale a 200 di RMM2, non limitandosi solamente alla componente convettiva. Questo aspetto verrà sfruttato nella sezione successiva per giustificare la configurazione di uno spazio di fase GWO, dove MR è posizionato sull’asse y (assieme a RMM2) e dMR/dt sull’asse x (assieme a RMM1). La relazione GWO2/RMM1 mostra anche un valore relativamente alto per entrambe le bande (come indicato nella Tabella 2), confermando che RMM1 e RMM2 sono in quadratura.

La Figura 2 illustra gli spettri di frequenza delle due componenti dell’MJO e del GWO. Il confronto di questi spettri con il rumore di fondo rosso evidenzia la principale differenza tra i due fenomeni. L’MJO si manifesta come un’oscillazione con un picco sugli spettri RMM a circa 45 giorni. Il GWO, invece, è caratterizzato da due processi di rumore rosso: uno con tempi di decadimento rapido (2 giorni) e l’altro con tempi di decadimento lento (14 giorni), che insieme abbracciano la banda di varianza 30–80 giorni dell’MJO, creando una notevole sovrapposizione nelle loro firme spettrali.

La struttura degli spettri di GWO1 merita attenzione: presenta un picco quasi significativo a circa 52 giorni, che riflette in parte l’effetto dell’MJO. Tuttavia, questo picco si manifesta su uno sfondo di rumore rosso con una scala temporale di decadimento di 14 giorni, rappresentando un fenomeno distinto dall’MJO. Lo spettro di GWO2 (dMR/dt) mostra una varianza costante dai 5 ai 40 giorni, con indizi di picchi distinti tra 5-15 e 25-40 giorni, entrambi significativi al 95% rispetto al rumore rosso di sfondo. Questi sfondi sono calcolati sulla base del tempo di dimezzamento delle serie temporali di MR e dMR/dt, non dalla correlazione al primo ritardo.

La banda dai 5 ai 15 giorni riflette il torque montano globale, generato dai treni d’onda sinottici che attraversano le montagne, come documentato da Iskenderian e Salstein (1998) e W03. Questi eventi provocano risposte piccole ma percettibili nell’AAM globale, come evidenziato nella Figura 1a. La banda dai 25 ai 40 giorni è dominata ugualmente dal torque montano (WRP), con una varianza da 2 a 3 volte superiore rispetto al torque frizionale in questa frequenza. Questa fascia è il driver principale sia per gli aspetti dell’MJO che per quelli non MJO del GWO.

Mentre una parte della varianza del GWO è legata all’MJO, numerosi eventi sub-stagionali vedono un torque montano notevolmente superiore al torque frizionale. WRP ha analizzato gli aspetti globali e zonali degli eventi di torque montano globale, mentre W03 ha illustrato i modelli orizzontali che li accompagnano. Le frequenze simili coinvolte nell’MJO e nel processo di adeguamento del torque montano-frizionale suggeriscono la possibilità di mutua eccitazione e interazione.

La Figura 1 rappresenta le serie temporali delle anomalie giornaliere per due fenomeni climatici distinti nel periodo da gennaio ad aprile 2006:

• Panello a: Questo grafico illustra le variazioni dell’Oscillazione Globale dei Venti (GWO).
  • La linea blu indica l’Anomalia del Momento Angolare Atmosferico (AAM) globale relativo, conosciuta come GWO1.
  • La linea rossa mostra la tendenza di questa anomalia, indicata come dMR/dt o GWO2. Le durate di alcune oscillazioni sono evidenziate con numeri come 10, 30, e 60 giorni, mostrando la variazione periodica nel comportamento del GWO durante questi mesi.
• Panello b: Questo grafico traccia le anomalie per l’Oscillazione di Madden-Julian (MJO).
  • La linea blu, che rappresenta l’indice RMM1, si focalizza su una specifica area geografica (Marittima / Emisfero Occidentale).
  • La linea rossa, che rappresenta l’indice RMM2, si concentra su un’altra area (Pacifico Occidentale / Indiano). Anche in questo caso, le durate delle oscillazioni sono annotate con periodi di 20, 30, 40 e 50 giorni.

Entrambi i pannelli illustrano chiaramente come le oscillazioni nei fenomeni GWO e MJO mostrino variazioni temporali significative, che sono cruciali per la comprensione delle dinamiche climatiche e meteorologiche su scala globale. La rappresentazione grafica fornisce un’illustrazione efficace dell’intensità e delle variazioni temporali delle anomalie associate a ciascun fenomeno atmosferico.

La Tabella 2 illustra un’analisi cross-spettrale tra l’Oscillazione di Madden-Julian (MJO) e l’Oscillazione Globale dei Venti (GWO). Questa analisi è condotta per due specifiche bande di frequenza, utilizzando anomalie giornaliere standardizzate registrate nel periodo dal 1979 al 2005, che copre 9862 giorni.

• Metriche Analizzate: Le entrate della tabella includono la coerenza al quadrato (coefficiente di correlazione) e la fase in radianti. Questi valori determinano il grado di correlazione e l’allineamento temporale tra i cicli di varianza delle serie temporali.
• Enfasi sui Valori Significativi: I valori più elevati sono evidenziati in grassetto, segnalando una forte correlazione tra GWO1 (MR) e RMM2 nella banda di 30–80 giorni. Questo indica un’interazione particolarmente stretta tra questi due indicatori in questo intervallo di frequenza.
• Varianza Frazionaria: I numeri tra parentesi dopo l’identificazione degli indici rappresentano la frazione di varianza contenuta nelle bande di frequenza. Per esempio, “(0.58)” indica che il 58% della varianza è contenuto nella banda di 20-120 giorni.
• Risultati per le Bande di Frequenza:
  • Banda 20–120 giorni: Fornisce coerenza e fase per le interazioni tra RMM1 e RMM2 con GWO1 e GWO2. Per esempio, la coerenza tra GWO2 e RMM1 è di 0.2 con una fase di 0.2 radianti.
  • Banda 30–80 giorni: Presenta risultati simili per le stesse combinazioni di indici. La correlazione più forte in questa tabella è tra GWO1 e RMM2, con una coerenza di 0.57 e una fase di 0.2 radianti.

Questa tabella è essenziale per comprendere come l’MJO e il GWO si influenzano reciprocamente su specifiche scale temporali, evidenziando le interazioni più significative tra i vari indici. Le correlazioni rilevate sono vitali per approfondire la comprensione delle dinamiche atmosferiche su scala sub-stagionale e stagionale.

4. Grafici dello Spazio di Fase

I grafici dello spazio di fase introdotti da WH04 sono un metodo efficiente e oggettivo per monitorare l’Oscillazione Madden-Julian (MJO). Questi grafici vengono utilizzati estesamente sia nella ricerca diagnostica sia dai centri operativi per valutare le previsioni dei loro modelli relativamente all’MJO. In questa sezione, presentiamo un grafico di fase simile per l’Oscillazione Globale dei Venti (GWO) e riassumiamo alcune conclusioni chiave derivanti dagli indici compositi di MJO e GWO.

Il grafico di fase di WH04 per l’MJO, mostrato nella Figura 3, rappresenta le fasi da 1 a 8, suddivise in otto segmenti di 45° ciascuno all’interno di uno spazio di fase di 360°. All’interno del cerchio di frecce, i riquadri di testo evidenziano eventi significativi durante la composizione basata sugli indici RMM, inclusa la localizzazione della convezione tropicale e i cambiamenti nella circolazione atmosferica su larga scala. All’esterno del cerchio di frecce, vengono illustrate le componenti del GWO durante la composizione sui RMM. Le orbite ruotano in senso antiorario durante un MJO che si propaga verso est, ma possono ruotare in senso orario per vari motivi, inclusi le onde tropicali (Roundy et al., 2009) e le anomalie della temperatura superficiale del mare (SST). La Figura 3 descrive una sequenza temporale nota di regioni convettive tropicali attive e cambiamenti nella circolazione su larga scala durante un’orbita dell’MJO.

La Figura 4 illustra il formato di rappresentazione dello spazio di fase per l’Oscillazione Globale dei Venti (GWO). Le fasi sono allineate con quelle definite da WH04 per l’MJO, facilitando così il monitoraggio in tempo reale e il confronto dei composti. Come precedentemente menzionato, la coerenza quadrata elevata tra GWO1 e RMM2 è impiegata per definire la relazione tra i due spazi di fase. Le frecce tratteggiate mostrano un’orbita schematica nello spazio di fase GWO, che può ruotare solo in senso antiorario (CCW) e non necessariamente in modo oscillatorio. Durante un’orbita, il momento angolare occidentale e orientale viene scambiato con la terra ferma.

All’interno delle frecce sono evidenziati eventi importanti nella circolazione e nei torque di superficie correlati, mentre all’esterno delle frecce vengono presentati i composti per la convezione tropicale. Lungo la traiettoria dello spazio di fase GWO da 8 a 1, un torque frizionale globale negativo è seguito da un torque montano globale negativo; questi processi portano a una forte tendenza negativa del AAM, indicando che il momento angolare occidentale viene rimosso dall’atmosfera. Una risposta a scala regionale include il collasso del getto dell’Oceano Pacifico settentrionale, spesso risultante in una depressione negli Stati Uniti occidentali (vedi lo studio di caso nella sezione 5). Le esperienze di monitoraggio indicano che i modelli numerici globali hanno prestazioni scarse in queste situazioni.

Durante le fasi 8–1 del GWO, la forzatura tropicale si propaga verso est dalla regione del Sud America fino all’Oceano Indiano. Con la convezione che si sposta verso l’Oceano Indiano, si sviluppano trasporti di AAM verso i poli nella media zonale attorno ai 35°N (e 35°S). Questo favorisce una traiettoria delle tempeste spostata verso nord e un pattern di connessione teleconnettiva circumglobale (Branstator 2002) di creste anomale alle medie latitudini con simmetria interemisferica entro la fase 3. Questo stato di base è anche tipico di La Niña. La capacità di anticipare certi fenomeni o processi aggiunge una dimensione significativa all’attività di monitoraggio in tempo reale, dedicata alle previsioni meteorologiche e climatiche a lungo termine.

Studio di Caso: Aprile-Maggio 2007

a. Grafici dello Spazio di Fase

Figura 5: rappresenta il grafico di fase del MJO nei 59 giorni dal 28 marzo al 25 maggio 2007, con applicata una media mobile di 5 giorni. Diversamente dal grafico standard (per esempio, WH04), questo mantiene le variazioni interannuali, causando uno spostamento del centro delle orbite di circa 0.5s verso le fasi 3–4 associate a La Niña.

Nel grafico si osservano tre episodi coerenti di attività del MJO, caratterizzati da proiezioni superiori a .1s o da una propagazione sistematica verso est. Questi episodi sono stati interrotti da due periodi di attività quasi nulla, precisamente dal 10 al 22 aprile e dall’8 al 15 maggio. Il tracciato inizia con un MJO sviluppatosi sull’Oceano Indiano a metà marzo 2007, che successivamente si sposta oltre il Continente Marittimo raggiungendo la fase 5. Successivamente, il MJO avanza verso la fase 1 e poi si indebolisce intorno al 10 aprile.

Un ulteriore evento di minore intensità emerge alla fine di aprile 2007, inizialmente nelle fasi 2–3, per poi spostarsi brevemente alle fasi 4–5. Questo evento si indebolisce ulteriormente intorno al 6 maggio, ma poi si intensifica nuovamente superando .1s alla fase 7, propagandosi attraverso l’emisfero occidentale e l’Africa.

Le annotazioni in Figura 5 mettono in evidenza quattro periodi con anomalie estreme di dMR/dt. Questi contribuiscono a due oscillazioni del GWO di circa 30 giorni, le cui traiettorie nello spazio di fase verranno analizzate in dettaglio. Il torque montano gioca un ruolo significativo nelle tendenze estreme rilevate. Nei periodi del 10–22 aprile e dell’8–15 maggio, caratterizzati da un MJO quasi inesistente ma da una marcata proiezione GWO2, i segmenti di linea sono stati ispessiti per evidenziare questi momenti critici. Questi periodi precedono immediatamente un rinforzo della convezione del MJO sull’Oceano Indiano verso la fine di aprile e sul Pacifico occidentale a metà maggio 2007, indicato da frecce nere spesse. Le analisi dettagliate, che saranno presentate in un documento di accompagnamento, confermano la correlazione tra le tendenze del GWO e le anomalie successive nella convezione tropicale.

Transizione al GWO e Analisi delle Sue Orbite

Nella Figura 6, il grafico di fase del GWO per lo stesso periodo del MJO mostrato nella Figura 5 è illustrato, con segmenti di linea ispessiti applicati nelle stesse date. Si identificano due orbite prominenti nel periodo di 59 giorni: una dal 28 marzo al 25 aprile (29 giorni) e l’altra dal 26 aprile al 26 maggio (31 giorni). La prima è un’orbita singola, mentre la seconda è una combinazione di un’orbita rapida e una lenta. Queste orbite sono in media centrate leggermente lontano da zero, verso le fasi 3-4, indicando una persistente anomalia negativa dell’AAM globale, tipica di uno stato di circolazione La Niña.

A differenza delle proiezioni più variabili del MJO viste nella Figura 5, la regolarità delle orbite del GWO emerge con evidenza. Questa analisi fa anche luce sulla relazione tra le proiezioni del GWO e del MJO, come già discusso per la Figura 5. La convezione dell’Oceano Indiano (IO) segue la tendenza negativa estrema di metà aprile, mentre la convezione dell’Oceano Pacifico occidentale (wPO) segue la tendenza positiva estrema di inizio maggio. Tuttavia, le altre due tendenze estreme di fine maggio e inizio aprile sono integrate più strettamente con le anomalie di convezione del MJO, rendendo la dinamica di forza e risposta, sia in ambito di latitudini medie che tropicale, meno definita.

Ad esempio, all’inizio della prima orbita, era semplice seguire sia gli eddies che rispondevano alla forzatura tropicale del Pacifico occidentale sia il torque montano positivo dal Plateau del Tibet attraverso una serie di mappe meteorologiche giornaliere. La dispersione delle onde di Rossby atmosferiche, legata a entrambi i meccanismi di forzatura in rapida successione, ha facilitato un flusso di momento medio zonale verso sud attraverso i 40°N. Questo comportamento è coerente con la caratteristica del GWO osservata nella fase 6 nella Figura 4 e sarà ulteriormente esaminato nell’evoluzione dell’AAM zonale nella sezione successiva. Questo rappresenta solo un esempio di processo che può essere previsto quando i segnali nel GWO o nel MJO sono intensi e sembrano completare un circuito o un’orbita.

I segnali substagionali realistici sono notevolmente complessi, rendendo difficile svelare il meccanismo di forza-risposta. Il concetto fondamentale è che gli eventi substagionali si sviluppano attraverso un’interazione reciproca tra la convezione tropicale e i processi dominati dal torque montano nelle medie latitudini.

A livello di media zonale, i tropici e le principali regioni montuose sono connessi tramite trasporti di momento meridionale attraverso i 35°N e i 35°S. Nella prossima sezione, si esamineranno le variazioni della circolazione media zonale in relazione a MR, mentre si evidenzia come dMR/dt sia principalmente influenzato dai torque montani provenienti da tre aree primarie: l’Altopiano del Tibet, le Montagne Rocciose del Nord America e le Ande del Sud America.

La Figura 2 presenta gli spettri di frequenza per i componenti del MJO (Madden-Julian Oscillation) nei pannelli (a) e (b) e del GWO (Global Wave Oscillation) nei pannelli (c) e (d). Questi grafici sono essenziali per comprendere come varia l’energia associata a queste oscillazioni in funzione della frequenza.

1. Linea Blu: Questa rappresenta lo spettro osservato. Indica direttamente come le varianze si distribuiscono attraverso le diverse frequenze per i componenti osservati del MJO e del GWO.
2. Linea Rossa: Denota uno spettro di rumore rosso, che è calcolato basandosi sul tempo di dimezzamento della serie temporale. Questo tempo riflette la velocità di attenuazione delle variazioni all’interno della serie.
3. Linea Nera: Mostra il livello del 95% dello spettro di rumore rosso. Un picco oltre questo livello nel grafico blu è considerato statisticamente significativo, suggerendo che la componente osservata non è semplicemente frutto del caso ma riflette probabilmente una dinamica atmosferica reale.
4. Presentazione dei Grafici: Gli spettri sono visualizzati con la frequenza in scala logaritmica sull’asse orizzontale (ascisse) e con la frequenza moltiplicata per la varianza sull’asse verticale (ordinate). Questo formato aiuta a identificare più chiaramente i picchi significativi rispetto al fondo di rumore.
5. Picco di Rumore Rosso: La posizione del picco nel rumore rosso, che contiene il 50% della varianza totale, è indicativa della scala temporale dominante delle autocorrelazioni nella serie.
6. Gradi di Libertà (dof): Sono calcolati dividendo il numero totale di punti dati per il tempo di dimezzamento della serie. I valori specifici per i gradi di libertà sono: (a) 7.2, (b) 7.2, (c) 5.4, e (d) 38. Questo parametro è cruciale per stabilire la significatività statistica dei picchi osservati.

Ogni grafico illustra come le oscillazioni specifiche del MJO e del GWO si manifestano nelle registrazioni atmosferiche, enfatizzando i periodi come 14 giorni per il GWO o 20-30 giorni per il MJO, dove le oscillazioni sono evidenti e statisticamente distinte dal rumore di fondo.

La Figura 3 illustra il grafico di fase per l’MJO (Madden-Julian Oscillation) come proposto da Wheeler e Hendon nel 2004. Questo grafico è essenziale per comprendere la dinamica e la propagazione dell’MJO attraverso una rappresentazione bidimensionale.

1. Spazio di Fase 2D: Utilizza due Funzioni Ortogonali Empiriche Multivariate (EOFs) per definire lo spazio di fase, che è diviso in otto ottanti o segmenti, coprendo ciascuno 45°.
2. Rotazione del Vettore di Fase: Le frecce rappresentano la rotazione del vettore di fase quando l’MJO è attivo e si propaga verso est. La sequenza delle frecce descrive il movimento caratteristico dell’MJO nel suo ciclo.
3. Descrizione delle Fasi:
   • Fasi 1 e 2: Iniziano con la convezione sull’Oceano Indiano.
   • Fasi 3 e 4: Mostrano la transizione e l’influenza sul continente marittimo.
   • Fasi 5 e 6: Illustrano la convezione nel Pacifico occidentale e la transizione a cicloni subtropicali.
   • Fasi 7 e 8: Raffigurano l’effetto sulla convezione nell’emisfero occidentale e in Africa.
4. Anomalie Standardizzate: Gli assi sono etichettati con anomalie standardizzate, con l’orbita mostrata che ha un’ampiezza di 3.5s.
5. Informazioni Contestuali: Il testo intorno alla sequenza di frecce si basa su composizioni dei mesi di dicembre-febbraio (DJF), utilizzando le otto fasi per analizzare i pattern meteorologici e climatici associati.

Questa figura è cruciale per capire come l’MJO moduli il clima globale attraverso varie fasi del suo ciclo, con impatti specifici che variano a seconda della sua posizione e fase all’interno del ciclo stesso.

La Figura 4 mostra il grafico di fase del GWO (Global Wave Oscillation), come proposto in questo studio. Il GWO è sensibile ai processi di media latitudine, come i rilievi montani e i trasporti di momento meridionale, ed è strettamente integrato con le dinamiche dell’MJO (Madden-Julian Oscillation).

1. Configurazione dello Spazio di Fase: Il GWO è rappresentato in uno spazio di fase diviso in otto fasi, simile alla rappresentazione dell’MJO ma con comportamenti distinti legati a caratteristiche del GWO. Le fasi sono state definite tramite un’analisi cross-spettrale tra MJO e GWO.
2. Interazione tra GWO e MJO: Nonostante siano collocati nello stesso spazio di fase, il GWO e l’MJO non sono perfettamente “in fase/quadratura”. Le scale temporali rapide e lente si accumulano in certe fasi del GWO, influenzando la velocità con cui la fase si muove nello spazio di fase.
3. Dinamiche Fasiali:
   • Fasi 1 e 2: Caratterizzate da convezione sull’Oceano Indiano e torque montano negativo, con un trasporto di momento verso nord attraverso il 35°N.
   • Fasi 3 e 4: Convezione nella regione marittima dell’India orientale e aumento del torque montano positivo.
   • Fasi 5 e 6: Include convezione lungo la Linea del Cambiamento di Data e trasporto di momento verso sud attraverso il 35°N.
   • Fasi 7 e 8: Convezione in Sud America/Africa e un ritorno al torque montano negativo.
4. Movimento Convezionale: È evidenziato un movimento rapido della convezione attraverso l’Indonesia e il Pacifico occidentale durante le fasi 3-6, in contrasto con quello osservato nell’MJO.
5. Natura del GWO: Il grafico enfatizza che il GWO non è un fenomeno oscillatorio regolare, ma tende a essere eccitato e poi decadere, come indicato dalle frecce tratteggiate e troncate.
6. Informazioni Compositive: Il testo interno si basa su composizioni DJF per le otto fasi, mentre quello esterno amplia il collegamento del GWO con anomalie della convezione tropicale.

Questa figura è fondamentale per capire come il GWO influenzi il clima globale, modulando eventi atmosferici e interagendo con dinamiche dell’MJO, con impatti significativi su diverse regioni del mondo.

La Figura 5 rappresenta il grafico di fase del MJO (Madden-Julian Oscillation) per un periodo di 59 giorni, dal 28 marzo al 25 maggio 2007. Questo grafico è fondamentale per analizzare il comportamento dell’MJO e delle interazioni con fenomeni climatici più ampi come la GWO (Global Wave Oscillation).

1. Tracciamento delle Orbite: La figura traccia due orbite distinte:
   • La linea rossa rappresenta la prima orbita della GWO.
   • La linea blu indica la seconda orbita della GWO.
2. Conservazione delle Variazioni Interannuali: Le variazioni interannuali sono state mantenute, permettendo di proiettare le anomalie totali sugli assi RMM1 e RMM2. Questi assi sono utilizzati per descrivere la distribuzione spaziale e l’intensità delle oscillazioni dell’MJO.
3. Influenza di La Niña: Durante questo periodo, caratterizzato da una fase di rafforzamento di La Niña, le orbite sono leggermente spostate (circa 0.5s) verso le fasi 3-4, che sono associate alle condizioni di La Niña.
4. Segnalazione delle Anomalie di Tendenza dell’AAM: Sono evidenziati quattro casi di estreme tendenze dell’AAM (Angular Angular Momentum) globale relativo. Questi momenti, durante i quali si sono verificate le anomalie, sono marcanti per comprendere l’influenza sull’MJO.
5. Linee Ispessite: Le linee rosse e blu ispessite indicano periodi di forte tendenza, che precedono la crescita delle proiezioni dell’MJO verso la fine di aprile e la fine di maggio. Questo suggerisce un legame tra queste tendenze estreme e l’intensificazione dell’attività dell’MJO.

Questa figura fornisce una chiara visualizzazione di come il MJO interagisca con altre oscillazioni globali e come eventi climatici significativi, come La Niña, possano influenzare la sua dinamica e propagazione.

La Figura 6 illustra il grafico di fase del GWO (Global Wave Oscillation) per il periodo di 59 giorni dal 28 marzo al 25 maggio 2007. Il grafico sottolinea diverse componenti cruciali dell’interazione del GWO con altri fenomeni atmosferici:

1. Doppie Orbite del GWO:
   • La linea rossa rappresenta la prima orbita del GWO, tracciando le dinamiche iniziali dell’oscillazione.
   • La linea blu indica la seconda orbita, mostrando l’evoluzione successiva dell’oscillazione nel periodo osservato.
2. Oscillazioni di Circa 30 Giorni: Entrambe le orbite presentano oscillazioni con durata approssimativa di 30 giorni, identificate da linee ispessite nei colori corrispondenti. Queste oscillazioni riflettono periodi critici di cambiamento nell’Angular Angular Momentum (AAM):
   • Il tratto ispessito in blu segnala un massimo di tendenza positiva di circa +3s.
   • Il tratto ispessito in rosso indica un minimo di tendenza negativa di circa -22s.
3. Anomalie di Convezione Tropicale:
   • Le aree intorno alle orbite sono etichettate per indicare la localizzazione della convezione tropicale dominante, con i colori delle etichette corrispondenti ai colori delle orbite. Questo aiuta a visualizzare la correlazione tra l’attività del GWO e i pattern di convezione.
   • Il termine “None” si riferisce alla mancanza di anomalie di OLR (Outgoing Longwave Radiation) di grande scala, indicativo di periodi senza intensa attività convettiva nei tropici.
4. Collegamento tra Tendenze di Torque Montano e Convezione Tropicale:
   • È stato proposto un collegamento tra le anomalie di tendenza ispessite e la posizione successiva della convezione tropicale. Questo legame, cruciale per comprendere l’interazione tra processi terrestri e atmosferici, è rappresentato da frecce nere spesse.

Questa figura fornisce un’analisi dettagliata delle interazioni tra il GWO e le dinamiche climatiche più ampie, evidenziando come variazioni significative nell’AAM e nei torque montani possano influenzare la distribuzione e l’intensità della convezione tropicale globale.

Analisi delle Anomalie Zonali e Trasporto Meridionale del Momento

La Figura 7 illustra le serie temporali di MR e le anomalie associate per lo stesso periodo rappresentato nella Figura 6. Nel pannello inferiore sono visualizzate due orbite sotto forma di serie temporali, mentre il pannello superiore evidenzia le anomalie zonali correlate. Le fasi del GWO e le posizioni delle anomalie di convezione tropicale positiva sono segnate nella serie temporale inferiore. Il confronto tra i pannelli superiore e inferiore dimostra che le orbite sono generate da variazioni nel flusso zonale medio, specificamente nella regione tra il 30°N e il 30°S. Le anomalie medie a lungo termine (superiori ai 60 giorni) sono negative in questa regione; di conseguenza, la Figura 7a mostra un modello di anomalie di flusso orientale, intervallate da anomalie quasi nulle (ossia, non occidentali). Queste anomalie si spostano verso i poli, un dettaglio sottolineato dall’evidenziazione dell’asse della tendenza AAM positiva nella Figura 7a. La prima orbita, all’inizio di aprile, presenta uno spostamento veloce e discontinuo verso nord nella tendenza positiva, mentre la seconda, agli inizi di maggio, è più lenta e coerente. Questi spostamenti avvengono mentre l’AAM si riprende temporaneamente dai valori bassi osservati a fine marzo e fine aprile del 2007.

I trasporti del momento meridionale sono la principale forza motrice per gli spostamenti verso i poli, e sebbene le circolazioni di massa tropicale possano innescare gli eventi, questi sono ampliati verso i poli e nel tempo dal torque montuoso e dalle strutture favorevoli di vortice in latitudini medie. Nel contesto del modello generale di flussi zonali zonali medi negativi della Figura 7a, ci sono periodi di tempo e latitudini dove si sviluppano e persistono anomalie di vento occidentale. Nella prima orbita ciò accade vicino al 35°N, mentre nella seconda, più debolmente, vicino al 20°N e 15°S. Questi sono legati a una combinazione di forti flussi di momento meridionale e significativi torque montuosi positivi. Le anomalie globali deboli, ma positive, osservate nella Figura 7b si sviluppano a causa di queste anomalie dei venti zonali occidentali. Come illustrato di seguito, le anomalie zonali si sviluppano in bande latitudinali che includono le montagne asiatiche, nordamericane e sudamericane.

Le montagne, sebbene siano integrate in forti flussi meridionali di momento zonale, fungono da fonti aggiuntive di momento, influenzando le regioni a valle e potendo anche modificare il flusso zonale medio o globale. La Figura 8 esibisce l’integrale zonale-verticale e globale della tendenza relativa dell’AAM, correlata alla Figura 7. Questo bilancio delle anomalie è guidato principalmente dalla convergenza del flusso di AAM, seguita dal torque montuoso, dal torque frizionale e dal torque di Coriolis, rispettivamente. L’obiettivo non è un’analisi esaustiva del bilancio, ma piuttosto evidenziare il tempismo dei processi fisici cruciali durante le due orbite del GWO.

È importante ricordare che le orbite iniziano dopo che le massime anomalie di flusso orientale sono state stabilite intorno ai 20°N e 20°S. Il pannello superiore della Figura 8 illustra le tendenze negative che generano queste anomalie e le tendenze positive che le seguono, attenuandole dopo l’avvio delle orbite.

Nonostante la complessità strutturale del campo di tendenza, un confronto attento con la Figura 7 conferma un movimento polare di eventi di tendenza negativa e positiva discreti, evidenziati nella figura. Questi sembrano originarsi a nord dell’equatore, nell’emisfero settentrionale. La sequenza di eventi negativi e successivamente positivi è particolarmente marcata durante la seconda orbita, dove la convergenza del flusso di AAM emerge come il principale motore di questi fenomeni.

Le circolazioni di massa meridionali anomale, indotte dalla convezione tropicale o dai flussi di momento dei vortici, sono probabili responsabili delle tendenze tropicali-subtropicali, mentre i flussi di momento dei vortici dominano alle alte latitudini. La connessione temporale tra le anomalie di flusso medio zonale nei tropici e nelle latitudini polari, osservata per periodi di 1-3 mesi, rimane dinamicamente sfuggente, ma è una dinamica frequentemente osservata in studi precedenti come quelli di Chang (1998), Feldstein (1998), Lorenz e Hartmann (2001), e Lee et al. (2007).

In media, il composito basato sui RMM del MJO mostra una propagazione delle anomalie dei venti zonali medi solo fino a 20°N (20°S), quindi non offre una spiegazione completa. Potrebbe essere importante una combinazione di GWO e MJO, un argomento che verrà esplorato in un lavoro successivo sui compositi zonali e regionali. L’interazione tra i trasporti di momento, il torque montuoso, e la forzatura convettiva tropicale rimane in gran parte inesplorata.

La convergenza del flusso di AAM non può generare una tendenza globale dell’AAM da sola, ma può induire anomalie del vento zonale che a loro volta provocano torque montuoso zonale e globale. Nella Figura 8 sono evidenziati due significativi eventi di trasporto di momento che coincidono con due grandi tendenze globali visualizzate nel pannello inferiore. I trasporti meridionali sono direzionati verso sud all’inizio di aprile e nella metà di maggio. Le curve colorate nel pannello inferiore confermano che i torque montuosi attribuibili alla topografia del Nord America e dell’Asia sono fondamentali per la prima tendenza, mentre le topografie del Sud America e dell’Asia influenzano sia la tendenza minore all’avvio della seconda orbita sia la tendenza molto più marcata osservata dieci giorni dopo.

L’analisi quantitativa dei dati e la modellazione diagnostica sono essenziali per capire in modo completo la progressione della curva di tendenza dell’AAM mostrata nella Figura 8. Tuttavia, per scopi di previsione, le Figure 3 e 4 offrono una sequenza prevista di eventi che possono essere monitorati e anticipati, aiutando così a valutare le previsioni dei modelli e a prevedere lo stato atmosferico futuro.

In questo studio di caso, gli eventi che comunemente accompagnano le fasi 8-1 sono stati utilizzati per prevedere un avvallamento nella regione occidentale degli Stati Uniti, sviluppatosi circa tra il 20 e il 23 maggio, che ha portato a tempeste locali severe nelle Grandi Pianure e significative anomalie di temperatura e precipitazioni a livello nazionale. La previsione iniziale si basava sull’entità della tendenza positiva registrata circa il 10 maggio, durante le fasi 4-5, e sul fatto che una orbita si era già verificata.

Una sequenza sinottica ben conosciuta accompagna le fasi 8-1: il getto del Pacifico si intensifica, si estende verso est e infine si disgrega, lasciando un avvallamento nel sud-ovest degli Stati Uniti. L’accelerazione del getto zonale medio durante le due orbite è evidente dalle grandi tendenze positive zonali dell’AAM attorno al 30°N nella Figura 8a. La sfida delle previsioni è determinare quando, o se, il getto si disgregherà, coinvolgendo impatti sia dalla scala sinottica che interannuale.

Analisi Dettagliata della Figura 7: Dinamiche dell’AAM Zonale

La Figura 7 è suddivisa in due parti principali, (a) e (b), che insieme illustrano le variazioni temporali e spaziali dell’Anomalia dell’AAM Zonale durante un periodo di studio di 90 giorni:

Parte (a)

• Variazione dell’AAM Zonale: Questo pannello grafica come l’AAM zonale varia rispetto alla latitudine e al tempo, mostrando le dinamiche durante il periodo del caso di studio.
• Confini delle Orbite: Le linee verticali rappresentano i confini delle orbite mostrate precedentemente nella Figura 6, offrendo un riferimento per l’analisi temporale.
• Contorni e Sfumature: I contorni indicano il totale dell’AAM zonale mentre le sfumature rappresentano le anomalie, sia positive che negative, sottolineando le variazioni rispetto alla norma.
• Movimenti e Anomalie: Le annotazioni e le frecce rosse mettono in evidenza il movimento polare delle tendenze positive dell’AAM zonale e le regioni con anomalie di flusso occidentale, sottolineando le aree di attività significativa.
• Getti di Media Latitudine: Questi sono evidenziati in tre periodi specifici tra i 20°N e i 40°N, dove si osservano forti flussi occidentali sia totali che anomali, cruciali per comprendere i cambiamenti nella circolazione atmosferica.

Parte (b)

• Anomalia Globale dell’AAM: Questo pannello mostra la somma meridionale del pannello (a), presentando l’anomalia dell’AAM su una scala globale, che aiuta a comprendere l’impatto su vasta scala.
• Dinamiche GWO e Convezione: Vengono marcatesi specifiche fasi del GWO e i periodi di attiva convezione nell’Oceano Indiano e nel Pacifico Occidentale, collegando le variazioni dell’AAM a fenomeni meteorologici globali.

Questa figura è fondamentale per analizzare l’impatto delle dinamiche dell’AAM zonale su eventi atmosferici significativi, mostrando come queste tendenze si sviluppino e influenzino i modelli climatici e meteorologici globali.

Dinamiche dell’AAM e Impatto dei Torque Montuosi

La Figura 8 è divisa in due sezioni principali, (a) e (b), che illustrano aspetti dettagliati della tendenza dell’Atmospheric Angular Momentum (AAM) e il ruolo dei torque montuosi:

Parte (a)

• Tendenze dell’AAM Relativa: Questo pannello grafica la variazione delle tendenze dell’AAM come funzione di latitudine e tempo, evidenziando il movimento delle tendenze positive e negative verso i poli. Questi movimenti sono distintamente segnalati con simboli di più (+) e di meno (-) per indicare le direzioni delle tendenze.

Parte (b)

• Tendenza Globale dell’AAM: La curva nera mostra la tendenza globale dell’AAM nel tempo, fornendo una panoramica complessiva delle fluttuazioni dell’AAM su scala mondiale.
• Torque Montuoso: Le curve colorate rappresentano il contributo specifico dei torque montuosi da Asia (in rosso), Nord America (in blu), e Sud America (in verde). Questi dati evidenziano come le formazioni montuose influenzino significativamente i pattern di flusso atmosferico a livello globale.
• Fasi del GWO: Le fasi dell’Oscillazione delle Onde Planetarie sono indicate per correlare le variazioni dell’AAM con più ampi pattern meteorologici.

Implicazioni per la Previsione Meteorologica: L’analisi della fase 8-1 verso fine maggio ha guidato la previsione di un’avvallamento atmosferico sul versante occidentale degli Stati Uniti, dimostrando l’utilità di queste osservazioni nella previsione meteorologica a medio termine.

In conclusione, la Figura 8 offre un’analisi essenziale per comprendere l’interazione tra le dinamiche dell’AAM e gli impatti topografici, che sono cruciali per la previsione di eventi meteorologici significativi e per la comprensione dei cambiamenti atmosferici su scala globale.

Anomalie della Funzione di Corrente Associata alla MJO e GWO

La Figura 9 è suddivisa in due parti, (a) e (b), ciascuna illustrando le anomalie nella funzione di corrente a 250 hPa durante i mesi invernali (DJF) e come queste si correlano con le fasi delle oscillazioni MJO (Oscillazione di Madden-Julian) e GWO (Oscillazione Globale delle Onde).

Parte (a) – Impatti della MJO

• Questo pannello rappresenta le variazioni della funzione di corrente legate alle fasi dell’MJO.
• Anomalie di pressione: Zone di alta pressione (H) e bassa pressione (L) sono evidenziate per mostrare come l’MJO moduli la distribuzione di pressione attraverso diverse regioni.
• Intervalli di colore e contorno: Le anomalie sono colorate da blu (negative) a rosso (positive) con un intervallo di 0.2 volte la deviazione standard giornaliera locale, facilitando l’identificazione visiva delle variazioni significative.
• Linea dello zero in grassetto: Segna la divisione tra anomalie positive e negative, evidenziando aree di transizione critica.

Parte (b) – Effetti del GWO

• Visualizza le modifiche nella funzione di corrente a 250 hPa in risposta alle diverse fasi del GWO.
• Configurazioni di pressione: Allo stesso modo della MJO, le alte e basse pressioni sono marcate per indicare l’influenza del GWO sulla circolazione atmosferica.
• Consistenza nei dati: Utilizza lo stesso schema di colorazione e intervallo di contorni della parte (a), assicurando coerenza e comparabilità tra i due fenomeni.

Osservazioni Generali: Queste mappe offrono una visione chiara di come le oscillazioni MJO e GWO influenzano la dinamica della circolazione atmosferica a livello globale, sottolineando l’importanza di queste oscillazioni nella previsione di eventi meteorologici e nella comprensione dei pattern climatici durante l’inverno. Le anomalie nella funzione di corrente forniscono indicazioni cruciali sui cambiamenti nei flussi atmosferici, che possono avere impatti significativi sul clima e sul tempo a scala regionale e globale.

6. Sintesi e Conclusioni: Il Ruolo del GWO nell’Analisi della Circolazione Atmosferica Globale

Il GWO (Oscillazione Globale delle Onde) è stato introdotto come strumento supplementare per monitorare e interpretare le variazioni sub-stagionali della circolazione atmosferica globale. È definito tramite l’AAM (Momentum Angolare Atmosferico) relativo globale e la sua tendenza, e rappresentato in un diagramma di fase in cui sono identificate otto fasi distinte.

I spettri di frequenza sono stati impiegati per distinguere le oscillazioni di circa 45 giorni dell’MJO (Oscillazione di Madden-Julian) dal comportamento multifasico e di “rumore rosso” del GWO. Un caso studio, che copre il periodo da aprile a maggio 2007, ha permesso di confrontare l’evoluzione temporale del GWO con quella dell’MJO. Durante questo studio, il GWO si è dimostrato forte e coerente, a differenza dell’MJO che ha mostrato una proiezione transitoria e debole.

Le variazioni del GWO erano correlate con anomalie del flusso zonale medio in zone tropicali tra 30°N e 30°S. Durante due orbite ben definite del GWO, le anomalie di un certo segno in questa banda di latitudine venivano sostituite da anomalie di segno opposto, mentre le anomalie originali si spostavano verso i poli.

I torques montuosi, integrati in forti flussi di momento meridionale, hanno fornito ulteriori fonti e pozzi di momento in specifiche bande latitudinali e hanno contribuito significativamente alla tendenza dell’AAM relativo globale. Nei grafici di tempo e latitudine, erano evidenti anomalie di venti zonali occidentali che provenivano dalle bande di latitudine contenenti importanti catene montuose, in particolare Asia e Sud America.

Quest’analisi sottolinea l’importanza del GWO come strumento per la comprensione delle dinamiche atmosferiche a scala globale, offrendo una prospettiva essenziale per la previsione e lo studio dei pattern meteorologici e climatici.Il GWO (Oscillazione Globale delle Onde) è stato correlato all’MJO (Oscillazione di Madden-Julian) tramite una moderata correlazione, indicando che l’MJO può influenzare il GWO. È emerso che una modalità distinta di variazione predomina nel GWO, legata all’adattamento della circolazione atmosferica a eventi significativi di torque montuoso. Entrambi, MJO e GWO, generano anomalie dei venti zonali nella fascia tropicale, suggerendo una possibile interazione e reciproca eccitazione tra queste due oscillazioni. Queste dinamiche vengono monitorate in tempo reale come componenti fondamentali del modello dinamico sinottico globale introdotto da WB07.

La comprensione approfondita del GWO consente una valutazione più sofisticata dei modelli numerici, essenziale per il processo completo di previsione meteorologica. Un ulteriore studio affianca il GWO per costruire otto composizioni di fase delle medie zonali e dei modelli di teleconnessione globali, che vengono contrapposti ai modelli compositi dell’MJO.

La Figura 9 illustra una sequenza parziale dei cicli di vita di entrambe le oscillazioni durante i mesi di dicembre-febbraio, focalizzandosi sul deterioramento di un’importante anomalia del getto aereo sopra l’Oceano Pacifico del Nord. L’intervallo di circa 4-8 giorni tra le fasi evidenzia come il GWO sia guidato principalmente dalla dispersione delle onde di Rossby zonali, mentre l’MJO mostra una dispersione meridionale più marcata di tali onde.

Per l’MJO, le anomalie del getto sono parte di un treno di onde di Rossby meridionali che si formano in 1-3 settimane, mentre le anomalie convettive si muovono nel Pacifico tropicale occidentale e centrale. Il modello si dissolve quando le anomalie convettive si spostano nell’emisfero occidentale. Per il GWO, le anomalie del getto si estendono più a est in risposta al torque montuoso asiatico e diminuiscono in seguito a eventi di rottura di onde anticicloniche o cicloniche sul Pacifico orientale a medie latitudini.

Quest’analisi sottolinea la complessità e l’importanza di comprendere entrambi i cicli di vita dell’MJO e del GWO, incluso il loro impatto sul ciclo stagionale e sugli eventi ENSO, argomenti che saranno esplorati in futuri studi.

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