Sull’Emergente Relazione tra l’Oscillazione Quasi-Biennale Stratosferica e l’Oscillazione di Madden-Julian

Abstract: Recenti studi hanno rivelato una significativa correlazione tra l’oscillazione quasi-biennale (QBO) dei venti stratosferici all’equatore e l’intensità dell’oscillazione di Madden-Julian (MJO) durante l’inverno nell’emisfero boreale. Questa correlazione è stata osservata analizzando dati raccolti a partire dalla metà degli anni ’70. Si è notato che, quando la QBO si trova nella sua fase orientale nella stratosfera inferiore, si registra un incremento dell’attività dell’MJO nel periodo invernale boreale. Al contrario, l’MJO si mostra meno attivo durante la fase occidentale della QBO. Le nostre analisi, basate su indici ricostruiti dell’MJO e della QBO a partire dal 1905, indicano che questo legame tra un’intensificazione dell’MJO invernale boreale e la fase orientale della QBO si è manifestato soltanto all’inizio degli anni ’80. Questa emergenza sembra coincidere con la tendenza al raffreddamento nella stratosfera inferiore equatoriale e al riscaldamento nella troposfera superiore equatoriale, fattori che hanno probabilmente aumentato la sensibilità dell’attività convettiva dell’MJO alle variazioni di stabilità statica indotte dalla QBO vicino al tropopauso. Tali osservazioni suggeriscono che i cambiamenti climatici possano aver contribuito a intensificare l’interazione tra l’MJO e la QBO.

Oscillazione Quasi-Biennale (QBO): La QBO si distingue per i suoi venti alternati orientali e occidentali che si muovono verso il basso nella stratosfera inferiore equatoriale, con un ciclo di circa 28 mesi. Pur essendo un fenomeno stratosferico, la QBO influisce su vari aspetti della convezione tropicale: modifica la convezione profonda Indo-Pacifico, i cirri vicino al tropopauso, influisce sulla frequenza e sul percorso dei cicloni tropicali nell’Atlantico e nell’Oceano Indiano Settentrionale, altera i getti subtropicali, le precipitazioni subtropicali, e le teleconnessioni legate all’Oscillazione Meridionale El Niño.

Oscillazione di Madden-Julian (MJO): L’MJO, predominante nella variabilità sub-stagionale troposferica tropicale, è caratterizzata da una vasta area (circa 10.000 km) di intensa convezione profonda, accoppiata a una circolazione zonale che attraversa tutta la troposfera. Questa struttura si propaga verso est lungo l’equatore con un periodo locale di 30-70 giorni e una velocità di fase verso est di circa 5 ms^-1. La componente convettiva dell’MJO è più evidente nelle acque calde equatoriali dell’Oceano Indiano e del Pacifico occidentale, mentre il disturbo nella circolazione atmosferica si estende in tutti i tropici. L’MJO non solo domina la variabilità delle precipitazioni e dei venti di superficie nella regione calda Indo-Pacifico, ma influenza anche una vasta gamma di fenomeni atmosferici, inclusi i cicli attivi e di pausa dei monsoni estivi in India e Australia, i cicloni tropicali a livello globale, le temperature di superficie in Nord America e l’Oscillazione dell’Atlantico Nord, rendendola una fonte cruciale per la prevedibilità climatica sub-stagionale.

Interazione tra MJO e QBO: Recentemente è stato dimostrato che l’ampiezza dell’attività MJO durante l’inverno boreale, periodo di maggiore attività dell’MJO, è intensificata quando la QBO è nella sua fase orientale nella stratosfera inferiore (QBOE) e ridotta durante la sua fase occidentale (QBOW). L’effetto annuale della QBO sull’attività MJO è significativamente maggiore rispetto alle variazioni delle temperature superficiali del mare tropicale, normalmente considerate la principale causa delle variazioni interannuali dell’attività convettiva tropicale. Marshall et al. hanno inoltre scoperto che la prevedibilità dell’MJO invernale boreale è maggiore durante la QBOE, con un miglioramento di circa una settimana rispetto al periodo QBOW, rappresentando il più notevole impatto di qualsiasi fattore climatico sulla prevedibilità dell’MJO.

La maggiore abilità predittiva per l’MJO durante la fase orientale della QBO (QBOE) non deriva solamente da un miglior rapporto segnale/rumore a causa di un’attività più intensa dell’MJO. In realtà, la prevedibilità aumentata è frutto di un comportamento modificato dell’MJO, in cui la sua ampiezza si mantiene più costante durante la QBOE. Questa persistenza rafforzata si traduce in una propagazione più continua della fase convettiva dell’MJO dall’Oceano Indiano, attraversando il Continente Marittimo, fino all’Oceano Pacifico occidentale. Le implicazioni di questo legame tra l’MJO invernale boreale e la QBO sono notevoli, in quanto la QBO può essere prevista con diversi mesi di anticipo, aprendo la strada a previsioni meteorologiche e climatiche migliorate e più affidabili nelle regioni dove l’MJO è influente.

Nonostante la relazione osservata tra QBO e MJO sia molto significativa e forte (la QBO spiega circa il 50% delle variazioni annuali dell’attività MJO durante l’inverno boreale), questa correlazione è stata stabilita con dati relativamente recenti dell’era satellitare (post metà degli anni ’70), periodo in cui il comportamento globale dell’MJO è stato chiaramente delineato attraverso osservazioni satellitari. Nonostante sia stata proposta una spiegazione fisica plausibile per l’aumento dell’attività dell’MJO durante la QBOE, come la riduzione della stratificazione termica tra la troposfera superiore e la stratosfera, sorge il dubbio se una simile relazione esistesse prima dell’era satellitare. Questo interrogativo diventa ancora più rilevante considerando i recenti trend di temperatura nella troposfera superiore e nella stratosfera inferiore, che potrebbero aver favorito la recente influenza della QBO sull’MJO. Per indagare su questo, esaminiamo la relazione MJO-QBO risalente al 1905, attraverso ricostruzioni dell’MJO e della QBO. Sebbene la fiducia in queste ricostruzioni diminuisca prima del 1958, quando iniziarono le osservazioni regolari di radiosonde a livello globale, l’analisi suggerisce che la relazione tra MJO e QBO sia emersa solo dagli inizi degli anni ’80, quando la qualità dei dati non rappresentava più un problema. Di conseguenza, esploriamo anche possibili meccanismi che potrebbero spiegare questa recente emergenza della relazione.

La tabella 1 mostra la matrice di inter-correlazione per i valori giornalieri degli indici RMM1 e RMM2.

La matrice di inter-correlazione è un metodo statistico utilizzato per quantificare la relazione lineare tra due variabili o set di dati. I valori vengono espressi come coefficienti di correlazione, che possono variare da -1 a +1. Un valore di +1 indica una correlazione positiva perfetta, cioè quando un valore aumenta, anche l’altro aumenta. Un valore di -1 indica una correlazione negativa perfetta, dove l’aumento di un valore comporta una diminuzione dell’altro. Un valore di 0 indica nessuna correlazione.

Nella tabella, i valori di correlazione sono presentati per le coppie di fonti dati:

  • WH contro OT: 0.83 per RMM1 e 0.91 per RMM2. Questo suggerisce che c’è una forte correlazione positiva tra i valori di RMM1 e RMM2 come misurati da WH e OT. I valori più vicini a 1 indicano che le misure di WH e OT si muovono in modo molto simile.
  • JRA contro OT: 0.82 per RMM1 e 0.81 per RMM2. Anche in questo caso, i valori vicini a 1 indicano una forte correlazione positiva, suggerendo che i valori di RMM1 e RMM2 da JRA e OT tendono a essere simili.

I numeri tra parentesi rappresentano i valori di correlazione per un secondo indice o set di dati, che nel tuo caso è RMM2. La presenza di questi valori tra parentesi suggerisce che la tabella è progettata per mostrare rapidamente le correlazioni per due indici correlati, RMM1 e RMM2, senza necessità di una seconda tabella separata.

Queste correlazioni sono importanti in meteorologia e climatologia per confermare la consistenza tra diversi set di dati o modelli. Se i valori di correlazione sono alti, come quelli nella tua tabella, gli scienziati possono avere maggiore fiducia nell’uso di questi dati per analisi ulteriori. Nel contesto di RMM1 e RMM2, se si riferiscono alla Madden-Julian Oscillation (MJO), questi indici sono usati per monitorare e prevedere l’evoluzione di questo importante fenomeno climatico che ha impatti su scala globale.

METODO

Dall’inizio dell’era dei satelliti nel 1974, periodo in cui le osservazioni globali via satellite di nubi convettive tropicali, venti e temperature sono diventate disponibili per il monitoraggio diretto della convezione e l’assimilazione nelle analisi atmosferiche globali, è possibile monitorare l’Oscillazione di Madden-Julian (MJO) sia attraverso la sua attività convettiva sia tramite un segnale combinato di venti e convezione. Studi hanno mostrato relazioni simili tra l’attività invernale della MJO e l’Oscillazione Quadriennale Biennale (QBO) utilizzando indici basati sia sulla convezione sia sulla combinazione di convezione e venti. In questa ricerca, adottiamo il metodo di Wheeler e Hendon per identificare la MJO, utilizzando un indice bivariato che si basa su una combinazione di venti zonali equatoriali e convezione.

Per l’era dei satelliti, definiamo la MJO usando l’indice MJO Multivariato in Tempo Reale (RMM) sviluppato da Wheeler e Hendon, indicato d’ora in poi come WH. Questo indice è creato usando la radiazione a onda lunga uscente (OLR) osservata via satellite e i venti zonali a 200 e 850hPa, come da dati del National Centers for Environmental Prediction (NCEP) e del National Center for Atmospheric Research (NCAR) Reanalysis. Per estendere l’indice RMM fino al 1958, utilizziamo venti zonali e OLR direttamente forniti dal JRA-55 Reanalysis. Il JRA-55, la più lunga analisi di terza generazione che usa l’intero sistema di osservazione, impiega uno schema avanzato di assimilazione dei dati 4DVar, una nuova correzione del bias variational per i dati satellitari, e diverse altre fonti di dati osservativi. Rispetto alle versioni precedenti, ciò ha portato a una riduzione dei bias nella temperatura stratosferica e a una maggiore coerenza temporale nelle analisi delle temperature. Il JRA-55 ha avuto inizio nel 1958, con l’inizio delle osservazioni globali regolari tramite radiosonde.

Per l’indice MJO derivato da JRA-55, abbiamo inizialmente applicato un filtraggio passa-banda sia sulla radiazione a onda lunga uscente (OLR) sia sui venti zonali a 200 e 850 hPa, considerando periodi tra 2 e 120 giorni per l’intero record. Abbiamo utilizzato il periodo dal 1958 al 2014, seguendo un approccio simile a quello di Wheeler e Hendon (WH), ovvero rimuovendo il ciclo annuale e sottraendo una media di 120 giorni. Successivamente, in linea con la procedura di WH, abbiamo calcolato la media equatoriale dei venti zonali e dell’OLR, normalizzandoli con la radice quadrata delle rispettive varianze medie zonali fornite da WH. Questi dati normalizzati sono stati poi proiettati su un paio di Funzioni Ortogonali Empiriche (EOF), derivate da WH utilizzando dati di venti zonali dal NCEP-NCAR Reanalysis e dati OLR dal Radiometro AVHRR. Gli indici RMM ottenuti dal JRA-55 sono stati poi normalizzati usando la radice quadrata dei valori propri forniti da WH, basati sui dati dal 1979 al 2001.

Durante il periodo di sovrapposizione degli indici RMM di WH e JRA (1974-2014), abbiamo osservato una correlazione superiore a 0,9 tra gli indici RMM giornalieri, come mostrato nella Tabella 1. Questo non garantisce la precisione dell’indice JRA prima dell’era dei satelliti, quando gli indici RMM di WH non sono disponibili, ma il confronto positivo durante il periodo di sovrapposizione conferisce una notevole fiducia nella qualità dell’indice.

Per estendere ulteriormente gli indici MJO prima del 1958, gli indici RMM di WH sono stati ricostruiti anche per il periodo 1905-2014, utilizzando osservazioni puntuali della pressione superficiale nei tropici come predittori in un modello di regressione lineare, noto come indice OT. Questo metodo sfrutta l’impronta significativa della MJO sulla pressione superficiale. Le osservazioni della pressione superficiale provengono dal Progetto di Rianalisi del 20° Secolo (20CR), un’analisi globale che assimila esclusivamente osservazioni di pressione superficiale. Basandosi su un filtro di Kalman ensemble, il 20CR fornisce 56 realizzazioni ugualmente probabili. Abbiamo usato queste realizzazioni per creare un ensemble di 56 membri degli indici RMM, la cui variazione indica l’incertezza osservativa.

L’affidabilità delle rianalisi storiche diminuisce negli anni precedenti, dovuta alla minore disponibilità di osservazioni della pressione superficiale. Tuttavia, dal 1958 in poi, le rianalisi hanno dimostrato di essere efficaci nel catturare la variabilità sinottica sia nei tropici che nelle regioni extratropicali. Per ricostruire l’indice RMM, abbiamo usato dati del periodo 1979-2008, garantendo così che le caratteristiche temporali degli indici RMM ricostruiti siano in linea con quelli di Wheeler e Hendon (WH) per quel periodo. L’analisi in questo studio si conclude nel 2014, coincidendo con la fine del progetto 20CR nel dicembre dello stesso anno.

Durante il periodo di sovrapposizione tra l’indice OT e gli indici WH e JRA (1974-2014), abbiamo osservato che la correlazione tra gli indici RMM individuali giornalieri supera lo 0,8. Questo conferma in generale la validità degli indici RMM derivati da OT per il periodo precedente all’era dei satelliti, dimostrata anche dalla coerenza nelle relazioni tra la MJO e altre variabili climatiche osservate indipendentemente nel corso del XX secolo, come la variazione intrastagionale della copertura nuvolosa tropicale, l’altezza della superficie del mare, la temperatura dell’aria sopra l’Alaska, i cicloni tropicali nell’Atlantico e a livello globale, la frequenza delle tempeste invernali nel nord-est degli Stati Uniti e le forti piogge nel nord dell’Australia.

In questo studio, ci concentriamo sull’ampiezza media della MJO durante i mesi di Dicembre, Gennaio e Febbraio (DJF). Definiamo l’ampiezza giornaliera della MJO seguendo il metodo di Yoo e Son e Marshall et al., calcolando la radice quadrata della somma dei quadrati dei due indici giornalieri (|RMM| = √(RMM1² + RMM2²)). Successivamente, calcoliamo la media stagionale di |RMM| per ogni stagione di Dicembre-Gennaio-Febbraio, etichettando l’anno in base a Gennaio. Ad esempio, l’anno 1959 corrisponde alla media di Dicembre 1958, Gennaio 1959 e Febbraio 1959. Abbiamo così creato serie temporali annuali dell’ampiezza utilizzando i tre set di indici RMM, che da qui in avanti denomineremo indici WH, JRA e OT.

Le serie storiche dell’ampiezza media stagionale invernale (DJF) dell’Oscillazione Madden-Julian (MJO) vengono mostrate nella Figura 1 per il periodo di sovrapposizione completo (1959-2014), utilizzando tre diversi indici. Si osservano variazioni interannuali molto simili in tutti e tre gli indici. Durante il periodo 1979-2014, la correlazione dell’ampiezza del MJO tra i tre indici supera 0.85, con la correlazione tra WH e JRA che raggiunge 0.9 (r=0.95). Si nota anche una stretta corrispondenza tra gli indici OT e JRA nel periodo precedente all’era satellitare (1958-1978), con un valore di correlazione di 0.76. L’ampiezza media dell’indice JRA risulta leggermente inferiore rispetto all’indice WH (1.19 contro 1.31 per il periodo DJF 1979-2014), attribuibile alla variabilità OLR più debole nelle rianalisi JRA rispetto ai dati AVHRR, usati per l’indice WH. Per derivare l’RMM da JRA, abbiamo utilizzato normalizzazioni basate su WH, portando così a un’ampiezza MJO inferiore in JRA rispetto a WH. Va notato che la ricostruzione OT imponeva agli indici RMM di avere l’ampiezza osservata (WH) durante il periodo di addestramento. A titolo di riferimento, l’ampiezza media dell’indice OT dal 1906 al 1958 è stata di 1.40.

La figura rappresenta una serie temporale dell’ampiezza media dell’Oscillazione di Madden-Julian (MJO) nei mesi di dicembre, gennaio e febbraio (indicati con DJF) per diversi anni, che vanno dal 1959 al 2014. L’ampiezza dell’MJO è un indicatore dell’intensità di questo fenomeno meteorologico che può influenzare i modelli climatici globali, inclusi i modelli di precipitazione e temperatura.

Nella figura sono presenti tre linee colorate, ognuna rappresentante un diverso set di dati o un metodo di misurazione dell’MJO:

  1. OT MJO (blu): Probabilmente rappresenta un metodo di misurazione basato sull’indice OLR (Outgoing Longwave Radiation) o un simile parametro geofisico.
  2. WH MJO (rosso): Indica un altro metodo o set di dati per misurare l’MJO, che potrebbe essere basato su misurazioni di vento o umidità.
  3. JRA MJO (verde): Questo potrebbe essere un set di dati basato su un reanalysis del clima, come il Japanese Reanalysis.

Queste linee mostrano l’andamento dell’ampiezza dell’MJO per ogni inverno dal 1959 al 2014. L’asse delle ordinate (asse verticale) rappresenta l’ampiezza media dell’MJO e varia da 0.5 a 2.5. Questi valori di ampiezza sono adimensionali e sono usati per quantificare la forza dell’MJO. L’asse delle ascisse (asse orizzontale) rappresenta il tempo, con i singoli anni mostrati.

I coefficienti di correlazione r sono misure statistiche che indicano quanto strettamente due serie di dati variano insieme:

  • r(OT,JRA): Il coefficiente di correlazione tra i dati OT e JRA.
  • r(OT,WH): Il coefficiente di correlazione tra i dati OT e WH.
  • r(WH,JRA): Il coefficiente di correlazione tra i dati WH e JRA.

Valori più alti di r (vicini a 1) suggeriscono che le serie di dati si muovono insieme molto strettamente, indicando un’alta correlazione. Nella figura, per esempio, r(WH,JRA)=0.95 suggerisce che i dati WH e JRA hanno una forte correlazione nel periodo 1979-2014, il che significa che questi due set di dati hanno mostrato un andamento molto simile nell’ampiezza dell’MJO durante gli inverni di quegli anni.

Questi valori di correlazione sono distinti per due periodi:

  • Dal 1979 al 2014, tutte e tre le correlazioni sono relativamente alte (0.85, 0.86, 0.95), indicando che i set di dati sono generalmente in buon accordo su come l’ampiezza dell’MJO si è comportata durante questo periodo.
  • Dal 1959 al 1978, la correlazione tra OT e JRA (0.76) è un po’ più bassa, suggerendo che c’era meno accordo tra questi due set di dati durante questo periodo più antico.

In sintesi, la Figura 1 è un confronto tra tre differenti set di dati sulla forza dell’MJO durante i mesi invernali per un lungo periodo di tempo, evidenziando sia le tendenze individuali sia le somiglianze e le differenze tra i metodi di misurazione.

Il QBO viene rappresentato attraverso indici del vento zonale medio equatoriale a 50 hPa per due periodi consecutivi. Per il periodo 1905-1953, quando le osservazioni dirette della stratosfera erano scarse, abbiamo utilizzato la ricostruzione di Broennimann e colleghi. Questo indice QBO è stato ottenuto tramite regressione usando osservazioni della pressione superficiale correlate al QBO. La serie temporale è stata standardizzata usando il periodo base 1911-1940.

Per il periodo successivo al 1953, abbiamo adottato l’indice QBO basato su radiosonde della Libera Università di Berlino (FUB), creato utilizzando dati di tre stazioni quasi equatoriali: Isola di Canton, Isola di Gan e Singapore. Ulteriori dettagli sui dati originari sono disponibili in Naujokat. Inoltre, abbiamo calcolato un indice QBO usando dati mensili medi di vento zonale medio equatoriale (5°S-5°N) a 50 hPa dall’analisi JRA-55 Reanalysis. Per il periodo successivo al 1957, la correlazione dell’indice QBO JRA con l’indice FUB è stata del 0.98. La serie temporale FUB è stata standardizzata usando il periodo base 1981-2010.

Definiamo la fase est della QBO quando i valori medi dell’indice di Dicembre-Febbraio sono negativi e la fase ovest quando sono positivi, seguendo la stessa definizione usata da Hamilton.

La figura che stiamo osservando mostra un’analisi della relazione tra due fenomeni atmosferici su un arco temporale esteso. Si focalizza sulla correlazione tra l’ampiezza media invernale dell’Oscillazione di Madden-Julian (MJO) e l’indice dell’Oscillazione Quasi-Biennale (QBO). Questi sono fenomeni distinti: l’MJO è un ciclo di tempo meteorologico nei tropici con effetti globali, mentre il QBO è un ciclo di venti stratosferici equatoriali che si alternano circa ogni 28 mesi.

Il grafico utilizza una finestra mobile di 30 anni per calcolare la correlazione, ovvero, ogni punto sul grafico rappresenta la correlazione tra MJO e QBO per un periodo di 30 anni centrato sull’anno indicato sull’asse delle ascisse. Per esempio, un punto sull’asse delle ascisse al 1960 considera i dati dal 1945 al 1975.

Ecco cosa rappresentano i vari elementi grafici:

  • Linea rossa (Wheeler-Hendon MJO index): Questa linea mostra la correlazione calcolata usando un metodo specifico per valutare l’intensità dell’MJO, sviluppato da Wheeler e Hendon.
  • Linea blu (JRA-55 MJO index): Questa linea rappresenta la correlazione calcolata con un altro indice MJO derivato dal set di dati di reanalisi JRA-55.
  • Linea spessa nera (Reconstructed MJO index): Indica la correlazione calcolata con un indice MJO ricostruito, che è un indice derivato da una combinazione di diversi set di dati storici.
  • Linee nere sottili: Indicano il range di variazione massima e minima delle correlazioni calcolate dall’insieme dei dati a disposizione per l’indice MJO ricostruito.
  • Linea tratteggiata: Segna il livello di significatività statistica del 5%, che è una soglia convenzionale utilizzata per stabilire se una correlazione osservata può essere considerata statisticamente significativa e non semplicemente il risultato di fluttuazioni casuali.

Osservando il grafico, possiamo notare che la correlazione tra MJO e QBO cambia nel tempo. All’inizio del grafico (intorno al 1920), le correlazioni sono attorno allo zero, il che indica nessuna relazione forte o consistente tra i due fenomeni. Tuttavia, dopo il 1980, la correlazione scende sotto il livello di significatività del 5%, diventando negativa. Questo suggerisce che, in tempi più recenti, c’è stata una relazione inversa tra l’ampiezza dell’MJO e l’indice QBO, cioè quando uno aumenta, l’altro tende a diminuire, e viceversa.

In breve, la Figura 2 illustra come la relazione tra l’MJO e il QBO sia variata nel corso del tempo e come questa relazione sia diventata statisticamente significativa in periodi recenti. Questo genere di analisi è importante per gli scienziati del clima per capire meglio come interagiscono vari componenti del sistema climatico terrestre.

La Figura 3 ci presenta un’analisi storica dell’intensità dell’Oscillazione di Madden-Julian (MJO) durante i mesi invernali. Il grafico traccia l’ampiezza media stagionale dell’MJO, una misura della sua forza, usando l’indice JRA a partire dal 1959.

Il concetto fondamentale da cogliere qui è che l’MJO è un fenomeno climatico che si manifesta con delle onde di perturbazione che si spostano attraverso i tropici, influenzando sia il tempo meteorologico locale sia i modelli climatici globali. La sua intensità può avere implicazioni significative per il tempo in varie parti del mondo, incluso il fenomeno delle piogge monsoniche e le temperature invernali nelle regioni temperate.

Nel grafico, ogni punto nero rappresenta la forza dell’MJO per ogni inverno, permettendoci di osservare come questa varia di anno in anno. La linea nera mostra la tendenza complessiva di questa ampiezza nel tempo, indicando se c’è stata un’incremento o una diminuzione nell’intensità dell’MJO nel corso degli anni.

Le linee colorate (blu e rossa) aggiungono un ulteriore strato di analisi introducendo il fattore dell’Oscillazione Quasi-Biennale (QBO), un altro fenomeno atmosferico caratterizzato da venti che cambiano direzione all’equatore ogni due anni circa. La linea blu mostra la tendenza dell’ampiezza dell’MJO durante gli anni di QBO est (QBOE), mentre la linea rossa mostra la tendenza durante gli anni di QBO ovest (QBOW). Questo distingue come l’intensità dell’MJO possa essere influenzata dalla fase del QBO.

I punti colorati (blu e rossi) evidenziano gli anni particolarmente forti per l’MJO che coincidono con le fasi specifiche del QBO, offrendoci una visione più dettagliata di come questi anni si discostano dalla tendenza generale.

In sostanza, la Figura 3 ci sta mostrando che l’intensità dell’MJO ha delle fluttuazioni annuali e che c’è una tendenza sottostante che può essere correlata con le fasi del QBO. Questo tipo di analisi è prezioso per gli scienziati del clima per comprendere meglio le interazioni complesse all’interno del sistema climatico terrestre e per fare previsioni meteorologiche e climatiche più accurate.

Association of the MJO with the QBO 1905–2014.

Studiamo l’associazione tra l’Oscillazione Madden-Julian (MJO) e l’Oscillazione Quasi-Biennale (QBO) nel periodo 1905-2014, focalizzandoci sui mesi invernali boreali. Abbiamo calcolato la correlazione tra l’ampiezza media dell’MJO di Dicembre-Febbraio e l’indice QBO utilizzando una finestra mobile di 30 anni. L’ultimo punto raffigurato nel grafico rappresenta la correlazione per il periodo 1985-2014, evidenziando una forte correlazione negativa (r circa -0.7) tra QBO e l’ampiezza dell’MJO.

Abbiamo notato che le correlazioni, sia con gli indici WH che JRA per il periodo 1985-2014, sono simili e leggermente più forti rispetto all’indice OT. Andando indietro nel tempo, la correlazione si indebolisce progressivamente per tutti e tre gli indici, con un declino simile per OT e JRA fino al periodo centrato su 1959-1988. Prima di questo periodo, la correlazione con OT si aggira intorno a -0.2 fino all’inizio del record. Una correlazione negativa statisticamente significativa (p=0.05) emerge per tutti e tre gli indici a partire dal periodo 1970-2000. Questo aumento sistematico della correlazione negativa da circa il 1960 è relativamente indipendente dalla lunghezza della finestra mobile utilizzata.

Per quantificare l’incertezza nella correlazione basata su OT, abbiamo mostrato la variazione nelle correlazioni ottenute dai 56 membri del 20CR (rappresentata come area grigia intorno alla curva tratteggiata nera). La variazione aumenta andando indietro nel tempo, specialmente prima del 1959-1988. Tuttavia, l’indebolimento della correlazione prima della fine degli anni ’50 supera l’aumento della variazione, suggerendo che una relazione significativa tra QBO e MJO sia emersa solo dopo il 1980.

Una spiegazione coerente per l’aumento della correlazione tra l’ampiezza dell’MJO e il QBO dal 1960 è un trend crescente dell’ampiezza dell’MJO durante le fasi est della QBO (QBOE) e, forse, un trend decrescente durante le fasi ovest della QBO (QBOW). L’indice MJO JRA mostra effettivamente un trend crescente statisticamente significativo (p=0.02) durante QBOE e un trend decrescente più debole e non significativo (p=0.2) durante QBOW per il periodo 1959-2014. Trend simili sono osservati anche con l’indice OT.

Basandoci sull’indice JRA, abbiamo osservato che, dal 1959, l’ampiezza dell’MJO durante gli anni di QBO est (QBOE) è aumentata di circa due deviazioni standard rispetto all’ampiezza media di Dicembre-Febbraio. Questa tendenza si manifesta in modo evidente: nell’intervallo 1959-1979, l’ampiezza dell’MJO durante gli anni QBO est e ovest era pressoché identica, mentre nel periodo 1980-2014, l’ampiezza durante gli anni QBO est è risultata circa il 33% più grande rispetto agli anni QBO ovest (e circa il 25% più grande se consideriamo l’indice WH per lo stesso periodo).

L’aumento del trend nell’ampiezza dell’MJO durante QBOE potrebbe corrispondere a un improvviso incremento a metà degli anni ’80. Tuttavia, a causa delle ampie variazioni annuali, è difficile confermare se questo rappresenti un trend costante. Analizzando dati sintetici su periodi di 60 anni, emerge che un trend crescente dell’ampiezza dell’MJO durante QBOE dal 1959, che incrementa di circa due deviazioni standard nel periodo 1959-2014, spiega il rafforzamento della correlazione negativa, passando da circa -0.2 nel periodo 1959-1988 a circa -0.7 nel periodo 1985-2014.

Questi risultati si confermano anche quando si ipotizza che l’ampiezza dell’MJO subisca un aumento improvviso durante gli anni QBOE dopo i primi 30 anni, mostrando un continuo rafforzamento della correlazione negativa su un arco di 60 anni.

Per capire perché la relazione tra MJO e QBO è emersa solo a partire dai primi anni ’80, esaminiamo perché il MJO è influenzato dal QBO nel periodo più recente. Secondo Hendon e Abhik31, il MJO è più forte durante il QBOE a causa di una combinazione di minor stabilità alla tropopausa, influenzata dal QBOE, e dalla fase convettiva del MJO. Seguendo un metodo simile a quello di Hendon e Abhik31, abbiamo analizzato la struttura verticale del MJO durante il QBOE e il QBOW. Questo è stato fatto regredendo le temperature e i venti zonali e verticali sull’indice RMM1+RMM2, che indica le fasi 5–6 del MJO, con convezione attiva a est del Continente Marittimo. Abbiamo usato l’indice RMM1+RMM2, i dati OLR, le temperature e i venti ottenuti da JRA. Risultati simili sono stati ottenuti usando l’indice RMM1+RMM2 WH e l’OLR AVHRR31. La parte inferiore della Figura 4 mostra la distribuzione longitudinale e verticale delle anomalie di temperatura equatoriale e dei venti zonali e verticali quando la fase convettiva del MJO attraversa il Continente Marittimo. L’anomalia OLR, che indica l’anomalia convettiva, è mostrata in basso in ogni pannello. Durante il QBOE, rispetto al QBOW, l’anomalia positiva della temperatura troposferica a est del centro convettivo è più intensa, si estende più in alto nella troposfera superiore sul suo lato ovest e coincide più strettamente con l’anomalia convettiva. Anche il cappello freddo che sovrasta l’anomalia convettiva attiva a circa 100 hPa è più marcato durante il QBOE. In entrambi i casi, QBOE e QBOW, questo cappello freddo si inclina verso est con l’altezza, entrando nella stratosfera inferiore. Questo è indicativo di un’onda Kelvin che si propaga verticalmente con una lunghezza d’onda di circa 5 km, ma questa propagazione si estende più in alto nella stratosfera durante il QBOE, in linea con l’ipotesi che l’onda Kelvin non possa propagarsi verso l’alto in presenza dei venti occidentali del QBO.

L’accentuata anomalia calda e il più forte cappuccio freddo contribuiscono insieme a destabilizzare maggiormente la regione della tropopausa, risultando più in sintonia con l’intensificata attività convettiva del MJO durante il QBOE rispetto al QBOW. Il motivo principale per cui il MJO si intensifica durante il QBOE è dovuto al fatto che l’anomalia fredda indotta dal QBO si estende fino a circa 100 hPa (le anomalie di temperatura medie del QBO sono delineate nella Figura 4), il che amplifica l’effetto destabilizzante provocato dalla convezione del MJO. Durante il QBOW, invece, le anomalie calde indotte dal QBO alla tropopausa tendono a contrastare questa destabilizzazione. Si nota una differenza più marcata in termini di estensione longitudinale e altitudinale vicino alla tropopausa tra QBOW e QBOE nel periodo più recente (1980-2014), rispetto al periodo precedente (1959-1979), in cui il comportamento del MJO mostrava scarse differenze tra le fasi del QBO.

la Figura 4 è una rappresentazione visiva di analisi statistiche condotte su dati meteorologici e climatologici. È divisa in due parti principali: la colonna di sinistra (QBOE) e la colonna di destra (QBOW), ognuna rappresentante differenti fasi della Quasi-Biennial Oscillation (QBO), che è una variazione ciclica dei venti equatoriali nell’atmosfera.

Spiegazione dei Componenti:

  • Temperature Equatoriali: La tonalità dello sfondo indica l’anomalia della temperatura (in Kelvin) rispetto a una media di riferimento. Questo è misurato nella troposfera e stratosfera, come indicato dalla pressione sull’asse verticale (in hPa).
  • Venti: Le frecce rappresentano la velocità e la direzione dei venti zonali (orizzontali) e verticali. Una freccia verso destra o sinistra indica un vento zonale da ovest o da est, rispettivamente, mentre una freccia verso l’alto indica un movimento ascendente dell’aria (e viceversa per una freccia verso il basso).
  • Outgoing Longwave Radiation (OLR): Situata sotto ogni grafico di temperatura e vento, ci sono piccole grafiche che rappresentano l’OLR, che è un indicatore dell’energia emessa dalla Terra nello spazio e può essere un segno di nuvole e precipitazioni.
  • Indici RMM1+RMM2: Questi sono indicatori di un fenomeno conosciuto come Madden-Julian Oscillation (MJO), che influenza vari aspetti del clima tropicale.
  • Periodi Temporali: La figura è divisa in due intervalli temporali, il primo dal 1959 al 1979 e il secondo dal 1980 al 2014, per mostrare come i pattern climatici possono essere cambiati nel tempo.
  • Anomalie di Temperatura Relative: Le linee contornate mostrano le anomalie di temperatura, cioè le differenze dalla temperatura media nel periodo 1980-2010.
  • Significato Statistico: I punti arancioni indicano dove le differenze tra le fasi QBOE e QBOW sono statisticamente significative, suggerendo che i cambiamenti osservati non sono dovuti al caso.

Lettura della Figura:

Questa figura illustra come le fasi della QBO influenzino il clima tra il tropico del Cancro e il tropico del Capricorno. Le differenze nei pattern di temperatura e vento tra le due fasi della QBO (est e ovest) vengono esaminate in due periodi distinti per valutare se ci sono stati cambiamenti significativi nel clima nel tempo. Inoltre, la significatività statistica degli effetti della QBO sul clima è evidenziata, permettendo agli scienziati di comprendere meglio come questi grandi pattern atmosferici interagiscano e influenzino il clima globale.

Un possibile meccanismo per l’emergere della relazione tra QBO e MJO potrebbe quindi essere legato alla recente tendenza delle temperature vicino allo strato della tropopausa tropicale (TTL). La Figura 5 illustra l’andamento temporale delle temperature medie della ‘warm pool’ (10°S-10°N, 45°E-180°) a 100 hPa e la differenza di temperatura tra 100 e 200 hPa, secondo l’analisi JRA-55 dal 1959 al 2014. Si è osservato un raffreddamento della stratosfera inferiore e un riscaldamento della troposfera superiore, in linea con le osservazioni da satellite e radiosonde, riducendo così la stabilità statica al TTL. È significativo notare che i trend di temperatura e stabilità, calcolati separatamente per gli anni QBOE e QBOW, mostrano entrambi tendenze negative simili, suggerendo che non vi sia un trend evidente nell’ampiezza del QBO nelle temperature della tropopausa che possa giustificare l’intensificarsi della relazione tra MJO e QBO.

La Figura 5 è un grafico che illustra le variazioni climatiche nella regione equatoriale, specificamente la temperatura media nella zona di caldo e la stabilità della tropopausa durante i mesi invernali (dicembre, gennaio, febbraio). Ecco una spiegazione dettagliata e fluida dei suoi elementi:

Temperature a 100 hPa: La linea arancione mostra la temperatura media nella zona calda (warm-pool) all’altezza di 100 hPa, che è uno strato dell’atmosfera situato nella stratosfera inferiore. Questa zona calda è un’area di acqua oceanica con temperature superficiali relativamente alte e può avere un impatto significativo sul clima globale.

Stabilità della Tropopausa: La linea nera rappresenta la differenza di temperatura tra 100 hPa e 200 hPa, che è una misura della stabilità della tropopausa. La tropopausa è la regione di transizione tra la troposfera, dove il tempo è più dinamico, e la stratosfera, più stabile. Maggiore è questa differenza di temperatura, maggiore è la stabilità della tropopausa, il che può limitare la formazione di nuvole e la convezione (il movimento ascendente dell’aria calda).

Tendenze Lineari: Le linee tratteggiate rappresentano le tendenze lineari delle temperature e della stabilità della tropopausa durante fasi specifiche della Quasi-Biennial Oscillation (QBO), un fenomeno atmosferico caratterizzato da venti alternati est-ovest nell’equatore stratosferico.

  • Linee rosa e rosse: Indicano le tendenze durante gli anni con un forte QBO West (QBOW), ovvero quando i venti predominanti sono da ovest.
  • Linee ciano e blu: Mostrano le tendenze durante gli anni con un forte QBO East (QBOE), quando i venti prevalenti sono da est.

Anni di QBO Forte: I punti colorati segnano gli anni in cui la fase QBO era particolarmente forte, con i punti blu che indicano anni di forte QBOE e i punti rossi che indicano anni di forte QBOW.

Interpretazione: Il grafico fornisce una visione chiara di come il clima sia cambiato in questa regione equatoriale dal 1958 al 2010. Sembra suggerire che ci siano stati cambiamenti distinti nella temperatura e nella stabilità della tropopausa correlati con le fasi della QBO. Questo è importante perché la stabilità della tropopausa influisce su fenomeni meteorologici come i temporali e le precipitazioni. Inoltre, le tendenze lineari suggeriscono che ci possono essere state modifiche a lungo termine nella dinamica atmosferica associata a queste fasi della QBO. Studi come questo sono cruciali per comprendere come il clima sta cambiando e quali fattori influenzano queste trasformazioni.

Abbiamo notato che le tendenze di temperatura ottenute dal JRA-55 sono in buon accordo con quelle provenienti dalle analisi ERA-Interim del European Centre for Medium-Range Weather Forecasts54 e dalla NASA-MERRA2 reanalysis55 a 200 hPa, come mostrato nella Figura Supplementare 6. Tuttavia, si riscontra una discrepanza a 100 hPa, come evidenziato nella Figura Supplementare 7. Secondo quanto riportato da Simmons et al.56, il modello ERA-Interim mostrava una tendenza a valutare più freddo a 100 hPa rispetto ai dati dei radiosondaggi. Questo errore è stato corretto alla fine del 2006 con l’introduzione dei dati di occultazione radio GPS nel reanalysis, dopodiché ERA-Interim ha mostrato un accordo molto più stretto con il JRA-55. Da notare che una simile stretta corrispondenza tra NASA-MERRA2 e JRA-55 a 100 hPa ha iniziato a verificarsi all’incirca nello stesso periodo.

La Figura 6 illustra la relazione tra la stabilità media stagionale nella regione della tropopausa tropicale della ‘warm pool’ e l’ampiezza media del MJO. È evidente che una minore stabilità statica è associata a un aumento dell’ampiezza del MJO, con la maggiore riduzione della stabilità e l’incremento più significativo dell’ampiezza del MJO che si verificano prevalentemente negli anni recenti di QBOE. La correlazione lineare tra stabilità statica e ampiezza del MJO è molto più debole nel periodo 1959-1979 rispetto al periodo più recente 1994-2014. Questi risultati suggeriscono che le recenti tendenze di temperatura intorno alla tropopausa potrebbero aver raggiunto una soglia critica, rendendo la convezione del MJO più instabile durante gli anni di QBOE rispetto a quelli di QBOW.

In linea con l’ipotesi del superamento di una soglia, si osserva anche poca differenza nella magnitudine e nella struttura verticale del MJO tra QBOE e QBOW nel periodo precedente, 1959-1979 (pannelli superiori della Figura 4). Le tendenze sopra menzionate nelle temperature vicine alla tropopausa indicano che, nel periodo precedente, l’anomalia di temperatura del QBO era meno fredda durante il QBOE (parte superiore sinistra della Figura 4) e più calda durante il QBOW, risultando in una minore destabilizzazione complessiva alla tropopausa nelle vicinanze della convezione del MJO.

Sebbene Hendon e Abhik31 sostengano che la convezione del MJO sia direttamente intensificata dalla diminuita stabilità della tropopausa, causata dal QBOE, la tendenza al raffreddamento nella stratosfera inferiore ha anche aumentato la formazione di nubi di ghiaccio nella TTL (Tropical Tropopause Layer)4,5. Queste nubi potrebbero quindi essere più fortemente influenzate dal MJO durante il QBOE. Tale modulazione del MJO, che potenzia i cirri TTL nel ‘cappuccio freddo’ generato dal MJO51, potrebbe destabilizzare radiativamente la colonna troposferica allineandosi con la convezione del MJO, contribuendo così a una convezione del MJO più intensa durante il QBOE. Questo aspetto richiede ulteriori ricerche.

Abbiamo constatato che una relazione stabile tra il QBO e l’ampiezza del MJO durante l’inverno boreale si è manifestata solo dagli inizi degli anni ’80, influenzata dalle recenti tendenze di temperatura nella TTL. Queste tendenze sembrano derivare sia da cambiamenti climatici antropogenici, come il degrado dell’ozono e l’aumento dei gas serra53, sia dalla variabilità naturale della temperatura della superficie degli oceani tropicali33. Di conseguenza, è probabile che la relazione tra QBO e ampiezza del MJO continui a evolversi in futuro. Se le attuali tendenze di temperatura della tropopausa dovessero persistere, potremmo aspettarci un aumento dell’attività del MJO durante il QBOW, dato che le anomalie calde a 100 hPa durante il QBOW sono ora solo leggermente più elevate rispetto alle anomalie fredde durante il QBOE che si verificavano negli anni ’70, prima che emergesse una forte correlazione tra MJO e QBO.

la Figura 6 è un grafico che mette a confronto due variabili climatiche importanti e osserva come si relazionano tra di loro nei diversi contesti della Quasi-Biennial Oscillation (QBO). Andiamo a esplorarlo passo dopo passo:

Variabili in Gioco:

  1. Stabilità della Tropopausa (Asse X):
    • Questa è misurata come la differenza di temperatura tra i livelli di pressione di 100 hPa e 200 hPa. La stabilità è un indicatore di quanto è stratificata l’atmosfera: un valore più alto significa che la tropopausa è più stabile, e ci sono meno miscelazione verticale e turbolenza atmosferica.
  2. Ampiezza MJO (Asse Y):
    • L’ampiezza della Madden-Julian Oscillation (MJO) rappresenta l’intensità di questo fenomeno meteorologico che si manifesta attraverso variazioni di precipitazioni, temperatura, e pressione atmosferica. Una maggiore ampiezza indica una MJO più forte, con maggiori impatti sul clima.

Dati Presentati:

  • Punti Colorati:
    • I punti blu indicano anni con una fase QBO orientata a est (QBOE), e i punti rossi indicano anni con una fase QBO orientata a ovest (QBOW).
    • I cerchi pieni mostrano i dati per il periodo 1994-2014, mentre i cerchi vuoti rappresentano il periodo 1959-1979.
  • Linee di Regressione (Tratteggiate):
    • Le linee tratteggiate mostrano la tendenza generale tra la stabilità della tropopausa e l’ampiezza MJO per i due periodi. Una pendenza negativa indica che all’aumentare della stabilità della tropopausa, l’ampiezza della MJO tende a diminuire.

Correlazione e Tendenze:

  • Il valore di correlazione negativo suggerisce che, in generale, una tropopausa più stabile è associata a una MJO meno intensa.
  • Questa tendenza è più forte nel periodo più recente (1994-2014) rispetto al periodo più vecchio (1959-1979), come indicato dai valori di correlazione di -0.58 e -0.38, rispettivamente.

Interpretazione del Grafico:

Il grafico rivela una relazione inversa tra la stabilità della tropopausa e l’intensità della MJO, suggerendo che quando l’atmosfera sopra la zona calda equatoriale è più stratificata e meno turbolenta (più stabile), la MJO tende ad essere meno pronunciata. La distinzione tra le fasi della QBO e la loro influenza su questa relazione è fondamentale per la comprensione di come i grandi schemi atmosferici interagiscono e influenzano il clima tropicale. Queste informazioni sono cruciali per gli scienziati che cercano di modellare e prevedere il clima e per capire meglio la dinamica dell’atmosfera terrestre.

file:///C:/Users/aless/Downloads/s41598-019-40034-6.pdf

Lascia un commento

Il tuo indirizzo email non sarà pubblicato. I campi obbligatori sono contrassegnati *

Translate »