Oscillazioni nordatlantiche

L'11 settembre 2011 aprivo un thread sul forum di meteonetwork nel quale facevo confluire (fino a fine settembre) alcuni post di analisi predittiva circa lo stato che l'oscillazione nordatlantica (NAO) avrebbe assunto questo inverno. La NAO è un pattern conosciuto da due secoli e mezzo (vedi immagine d'apertura, tratta da questo workshop) ed è uno dei modi di circolazione atmosferica più importanti e studiati, ricostruito recentemente fino al 1692 mediante la forza dei westerlies, decisivo per le sorti degli inverni euro-atlantici e della East-Coast nordamericana e anche delle nostre lande (vedi per es. qui, qui, qui, qui, qui o qui), unitamente alla "sorella maggiore" Arctic Oscillation (AO). È usato anche per elaborare il consueto outlook del sito del forum.

Da alcuni anni sto (con alcuni colleghi) sperimentando un metodo di previsione di questo indice basato su un modello empirico che, tenendo in considerazione una serie di variabili predittive (ricavate da altrettanti studi pubblicati e/o da analisi sperimentali) suddivise in 4 ambiti principali (atmosfera, idrosfera, criosfera, sole) e utilizzando i sistemi esperti, permette di inferire soprattutto il segno ma anche l'intensità della NAO invernale.

Su scala intra-mensile, la NAO dipende sostanzialmente da come si produce la rottura d'onda all'entrata del jet sul Nordatlantico: se la rottura è anticiclonica, il risultato è che si avrà NAO+, altrimenti se è ciclonica NAO- (vedi qui e figura a lato: a sx schema delle caratteristiche tipiche da NAO+, a dx da NAO-). Frequentemente, i treni d'onda che sopraggiungono dal Pacifico (come effetto di convezione in specifiche aree tropicali) ne possono determinare il tipo di rottura. Poi, una volta innescato, il meccanismo si autoalimenta per inerzia (o per influenze esterne, vedi dopo) fino ad una soglia limite, oltre la quale può decadere o subire un completo reversal.
La persistenza e/o ripetizione di queste strutture all'interno di un mese o dell'intera stagione danno luogo alla media con la quale l'indice rappresenta l'evoluzione complessiva del pattern.

Influenzata com'è dai flussi di eddies transienti (cioè le effimere fluttuazioni a componente meridiana del flusso zonale della circolazione atmosferica indotte dagli scostamenti di temperatura e relativa vorticità dalla media zonale che sono in grado di generare onde barocline in seno alle Rossby), l'evoluzione intra-mensile di questa importante configurazione nordatlantica sembrerebbe quindi essere random (white noise), ma in realtà - un po' nel medesimo meccanismo spiegato qui a proposito della relazione che intercorre fra atmosfera e sottostante oceano - subisce un reddening dall'influenza che appunto oceani (anomalie delle temperature superficiali, estensione della copertura glaciale) ma anche terraferma (per es. la copertura nevosa) sono in grado di produrre attraverso l'interazione con l'atmosfera, agendo sia gli oceani che la terraferma da fattori esterni "forzanti" le dinamiche interne tipiche degli eddies a più bassa frequenza (rispetto a quelli transienti). Ed ecco che - come per es. mostravano già gli studi pionieristici di Jerome Namias o Jakob Bjerknes negli anni 50 o di Murray e Ratcliffe o di Hasselmann nei 60 - queste situazioni possono ad es. favorire l'instaurarsi di regimi di circolazione bloccata che, se si verifica sull'alto Nordatlantico, sancisce il passaggio a NAO-. Da non dimenticare anche, in questo senso, il ruolo giocato dalla variabilità solare (per es. qui) e la discreta autocorrelazione (vedi anche qui) a cui soggiace la NAO (processo autoregressivo di primo ordine), segno questo che la stessa atmosfera è in grado di influenzare in parte questa struttura per più tempo, favorendone la previsione su scala mensile/stagionale.

Il metodo appare ancora ampiamente migliorabile. Lo uso dall'inverno 2006/07 (vedi ad es. qui o qui) e in generale in 3 occasioni ha permesso di prevedere segno e in parte anche intensità del pattern. Negli altri 2 casi sono invece emersi i principali problemi: la caratterizzazione dell'intensità (non facile, perché il metodo è improntato soprattutto per dare una risposta di tipo più o meno binario: per es. prima dell'inverno 2008/09 avevamo trovato che la NAO sarebbe dovuta essere poco intensa e infatti lo è stata, segno di frequente circolazione meridiana oppure di forte variabilità intra-stagionale dell'indice; ma in quell'occasione però ad una proiezione di NAO debolmente + seguì invece una stagione connotata da NAO debolmente -) e soprattutto la variabilità fra un mese e l'altro (o fra una parte e l'altra della stagione) del segno del pattern. L'autocorrelazione, in effetti, è sì buona ma non enorme e questo è il problema principale. Una valutazione di hindcast risalente agli ultimi 15 inverni ha permesso di far emergere ancora meglio questi due problemi. Per es. nel problema associato alla variabilità intra-stagionale, ho notato come soprattutto nei casi in cui l'inverno passa da una prima fase di NAO- ad una seconda di NAO+ (es. 1996/97 nell'hindcast, oppure l'anno scorso) il metodo faccia fatica a fornire risposte adeguate ed efficaci, un po' meno nei casi opposti (ad es. 2004/05 sempre nell'hindcast). Quest'anno potrebbe essere proprio un anno di questo tipo, e la proiezione effettuata per la prima parte (NAO+, effettivamente verificatasi) ha reso necessario un update nel quale evidenzio le potenzialità in gioco  favore di una riduzione dell'indice nella seconda parte della stagione invernale.

D'altra parte, il modello poggia sul metodo euristico e la sua utilità è soprattutto quella di migliorare la comprensione e raffinare il sistema su cui poggia. Cercando di risolvere il problema della previsione senza però offrire garanzie di poterlo fare attraverso una soluzione ottimale (come invece fanno gli algoritmi), il processo si avvicina, in fondo, all'analisi causale di Granger usata nell'econometria macro-economica.

Qui il thread aperto a settembre con la proiezione NAO soprattutto incentrata sulla prima parte dell'inverno  e qui l'ultimo post con l'update sul prosieguo.
A differenza di numerose altre proiezioni fatte anche dopo e più o meno tutte -  memori degli scorsi anni -  improntate a NAO- soprattutto ad inizio inverno, mi pare che finora sia andata piuttosto benone. Vediamo un po' il resto della stagione.