venerdì 12 febbraio 2016

Onde planetarie


Lo spunto del titolo non può che essere la notizia del giorno. E del mese. E dell'anno. E ancora?
In realtà, lo spunto concettuale viene da questa bell'infografica effettuata ARPA Emilia-Romagna sugli effetti regionali delle onde dell'inverno mancato e già quasi finito (h/t oca).





Qui approfondisco quello che può esserci stato a monte delle onde anomalie climatiche globali di questa stagione. Su tratta di una parziale analisi della situazione di questo inverno (andrà poi completata a fine stagione) dal punto di vista teleconnettivo (cfr. ad es. Eden et al. 2015), tenendo in considerazione modi di circolazione atmosferica AO, NAO e PNA,  la situazione dell'ENSO e le anomalie di temperatura della superficie oceanica (SSTA) del Pacifico tropicale occidentale (WP) e sull'Oceano Indiano (IO), il ciclo della PDO e la situazione della stratosfera polare (intensità del vortice polare stratosferico, VPS).
In chiusura, poi, una sintetica proiezione sul prosieguo e sulla parte finale della stagione.
I lavori da cui ho preso spunto per l'analisi sono elencati nei rferimenti bibliografici, laddove non segnalato le mappe sono state plottate dal sito delle reanalisi della NOAA/ESRL Physical Sciences Division.


Questo è stato un inverno connotato, finora, da:
◆ AO neutra: AO+ a dicembre, AO- a gennaio con valori simili (1,4) ma opposti, quasi ad annullarsi;
◆ NAO positiva: +0,8 finora, unico forte calo nella prima metà di gennaio;
◆ PNA positivo;
◆ Nino molto forte (quasi paragonabile a quello da record del 1997/98), tendenzialmente di tipo EP (con il centro delle SSTA sull'est dell'oceano),  ma con estensione del core delle SSTA vieppiù verso ovest;
◆ SSTA sul WP connotate da un gradiente nord-sud a cavallo dell'equatore;
◆ SSTA sull'IO positive;
PDO che, spinta ulteriormente dal Nino, sembra ormai essere passata in territorio positivo dal 2014;
◆ VPS forte e compatto, con nessun evento di riscaldamento stratosferico improvviso (SSW) di tipo maggiore (connotato da aumento delle temperature di almeno 30°C in meno di 1 settimana alla quota di 10 hPa e parallelamente inversione di circolazione zonale, cioè della direzione dei venti zonali da ovest a est, a 60 gradi N sempre a 10 hPa, Labitzke 2004, Charlton and Polvani 2007).



Queste le reanalisi delle anomalie del geopotenziale a 500 hPa (z500, a sx) risp. termiche al suolo (a dx) fino al 3 febbraio sull'emisfero nord:


Ecco (a sx) un grafico cartesiano che incrocia segno e intensità dei due modi principali di circolazione atmosferica dell'emisfero nord (AO e PNA) e dal quale sono ricavati 7 cluster con associato pattern del z500 (a dx) sul comparto nordamericano (Riddle et al. 2013).


Siamo finora vicini al cluster 2, tipico di inverni con AO neutro/legg.+ e PNA+ (sull'Europa è una via di mezzo fra i primi 2).
Il PNA+ è spesso "eccitato" da situazioni di Nino forte e canonico (Nino EP) e da PDO+, soprattuto negli inverni in cui questo stato dell'Oceano Pacifico è accompagnato dalla fase occidentale dell'oscillazione quasi-biennale (wQBO) dei venti equatoriali stratosferici (fra 30 e 70 hPa), come quest'anno (Barnston et al. 1991).
Da notare come, con questo cluster, i californiani normalmente ricevano consistenti precipitazioni e in effetti, dopo quasi 5 anni di una tremenda siccità, proprio la combinazione di Nino forte e di PDO+ ha regalato loro insperate anche se non troppo cospicue precipitazioni (ma pure neve sulla Sierra come non ne vedevano da un lustro), concentrate soprattutto sul nord dello stato. Ne parlavo proprio la scorsa primavera in un interessante scambio di opinioni da ocasapiens.

L'influenza preminente del forte Nino è possibile leggerla sia sul comparto pacifico/nordamericano (a parte sul sud degli USA) sia su quello atlantico/europeo e in parte asiatico, paragonando la prima mappa postata a quella sotto.
Ecco i compositi del z500 degli eventi di Nino strong:



Sul comparto nordamericano l'influenza dell'ENSO durante la sua fase di sviluppo e piena maturità (tipicamente fra autunno e primavera) è preminentemente diretta e troposferica. Condiziona e "distrurba" direttamente la cella zonale equatoriale di Walker sul Pacifico e modifica le celle latitudinali di Hadley ai margini dello stesso oceano (Wang 2002, vedi figura sotto).


Solitamente El Nino, soprattutto se forte e canonico come questo, indebolisce e sposta verso est la circolazione di Walker,  indebolisce ed espande la cella di Hadley situata ai margini occidentali del Pacifico e rafforza e contrae quella ai margini orientali. Così, il fenomeno è in grado di produrre sostanziali mutamenti nella circolazione atmosferica fra le regioni tropicali e quelle extra-tropicali nelle aree che si affacciano sul bacino e il Nordamerica ne è quella maggiormente esposta.
Sul comparto europeo, la sua influenza è invece remota, più indiretta (Scaife 2010, vedi seconda figura sotto) e spesso mediata anche dalla stratosfera (Butler et al. 2014, vedi prima figura sotto), anche se esistono alcune evidenze di una sua influenza indiretta, ritardata nel tempo e prettamente troposferica durante la sua fase di declino e che coinvolge le celle di circolazione fra Pacifico e Atlantico tropicale (Wang 2002).




Vediamo (prima figura sotto a sx, anomalie termiche sopra, z500 sotto) come cambia l'influenza del Nino (a sx) nel caso in cui il VPS sia debole (centro) e invece nel caso in cui il VPS sia forte, come quest'anno (a dx);  risp. (seconda figura sotto a dx, entrambe le immagini da Butler et al. 2014) la stessa cosa ma nel caso in cui ci sia stato, durante la stagione invernale, almeno un evento di SSW di tipo maggiore (centro) e invece nel caso in cui non ce ne sia stato nessuno, come quest'anno finora (a dx):



Il Nino 2015/16 è stato accompagnato da una configurazione delle SST sul WP connotata da un gradiente nord-sud (vedi figura sotto sx) e questa configurazione viene spesso associata ad un pattern emisferico del z500 (Kucharski et al. 2006, vedi figura sotto a dx:  immagini al centro, d risp. c) che, soprattutto sul comparto euro-atlantico, mostra buone analogie con la situazione di quest'anno


Diamo ora uno sguardo alle precipitazioni sullo scacchiere europeo.
NAO ed ENSO sono in grado di influenzare il regime delle precipitazioni invernali sull'Europa (Brönnimann et al. 2007, Zanchettin et al. 2007). Vediamo in che modo. Sotto, la prima figura mostra la correlazione (pallini bianchi positiva, neri negativa, la grandezza dei pallini segna la significatività statistica della correlazione) fra precipitazioni e NAO (a sx) risp. ENSO (centro) risp. eventi forti di Nino e Nina (dx), la seconda (sotto a sx) mostra la correlazione fra precipitazioni ed ENSO in funzione della forza della NAO e la terza (sotto a dx) la stessa cosa della seconda ma in funzione dello stato della PDO (Zanchettin et al. 2007):



Qualche analogia con questa stagione la si può scorgere, soprattutto sull'ovest europeo e in particolare da gennaio in avanti:



Una domanda che può sorgere spontanea è come mai quest'anno, a fronte di un evento di Nino strong, il VPS si sia dimostrato così coriaceo, al punto da risultare sempre molto freddo, profondo e chiuso e da propagare questa caratteristica al vortice polare troposferico e favorire AO e NAO+ (Baldwin e Dunkerton 2001). La letteratura è abbastanza chiara, in tal senso: El Nino tende a disturbare il VPS che risulta meno freddo e compatto, soprattutto nella seconda parte della stagione, quando - in anni con wQBO a 70 hPa - è molto più efficace nel modulare il pattern PNA+ (Barnston 1991, Garfinkel and Hartmann 2007), una situazione che favorisce i disturbi e i riscaldamenti del VPS (vedi figura sotto, Garfinkel and Hartmann 2007).



Ci sono parecchi elementi che possono influenzare il VPS, la slide sotto ne elenca alcuni, ho evidenziato in rosso quelli facenti capo alla variabilità interna interannuale (ENSO, QBO) e al ciclo solare (vedi anche la tabella sotto, Mitchell et al. 2011):



Oltre all'ENSO vanno menzionati almeno la QBO e il ciclo solare.
■ QBO: quest'anno nella sua fase occidentale (wQBO), fase che agevola l'irrobustimento del VPS (Baldwin et al. 2001), oltre che la NAO+ (Scaife et al. 2014);
■ ciclo solare: siamo nella sua lunga fase discendente (a circa 2 anni dal massimo del 2014), cosa che di per sé tende a favorire condizioni di NAO+ (Brugnara et al. 2013, Gray et al. 2013, Moffa-Sánchez et al. 2014, Thiéblemont et al. 2015, vedi figura sotto, da Gray et al. 2013;  per una critica cfr. anche van Oldenborgh et al. 2013) e, se non troppo vicina al massimo, in associazione alla wQBO, poco incline a facilitare eventi di SSW di tipo maggiore (Labitzke 2004), esattamente come quest'anno.


Inoltre la NAO+ potrebbe essere stata favorita dalle particolari e specifiche SSTA autunnali del Nordatlantico (Fereday et al. 2012, Maidens et al. 2013, Scaife et al. 2014), vedi figure sotto (SSTA sul Nordatlantico a fine autunno scorso, a sx,  e alcuni esempi di pattern associati: quest'anno siamo all'opposto dei casi d ed e a dx e della variante rappresentata nella terza figura sotto):



A proposito delle SST degli oceani: su scala interannuale (e probabilmente anche decennale) il VPS può venir condizionato anche dal loro stato, come mostra la slide sotto:


Questa stagione di addice bene al caso 4: le SSTA+ sull'IO potrebbero aver contribuito a ridurre l'influenza del Nino sul VPS (caso 3), rafforzando il vortice.
Interessante anche il caso 2: SSTA+ sul Nordpacifico (spesso in associazione alla Nina e/o al pattern NPM+, Hartmann 2015) favoriscono il ridge sul nord dell'oceano (Hurwitz et al. 2012), a sua volta precursore di un rafforzamento del VPS e di maggior difficoltà di emersione di eventi di SSW (Garfinkel and Hartmann 2012). Invece SSTA- sul Nordpacifico favoriscono le saccature sul nord dell'oceano e questo è invece un precursore di indebolimento del VPS e di maggior facilità di eventi di SSW (vedi immagine sotto, Garfinkel and Hartmann 2012):


Quest'anno si è passati da una situazione di SSTA+ sul Nordpacifico fra fine autunno e inizio inverno (vedi prima figura sotto, a sx) ad una situazione attuale di SSTA- (vedi seconda figura sotto, a dx), situazione favorita dai moti turbolenti, flussi di calore sensibile e latente indotti da una forte anomalia dei venti occidentali (e una forte corrente a getto), probabilmente una conseguenza del Nino, che ha raffreddato di non poco le acque superficiali del Nordpacifico (vedi terza e quarta figura sotto):



Di per sé, questa situazione potrebbe favorire un indebolimento del VPS e una maggior probabilità di avere eventi di SSW. Tuttavia, la troposfera non sembra mostrare i segnali precursori che, accanto a quel che ho detto prima, concorrono a favorire eventi di SSW.
Vediamo come, affinché aumentino le chances di avere SSW, in caso di SSTA- sul Nordpacifico come ora ("Low" nell'immagine sotto, Hurwitz et al. 2012) occorrano anche anomalie nel geopotenziale a 300 hPa sull'emisfero nord piuttosto diverse (quasi opposte!) rispetto a quanto abbiamo avuto nelle ultime settimane:




Ultime considerazioni sul ruolo che potrebbe ancora giocare il Nino sul prosieguo della stagione invernale in area euro-atlantica (Moron and Gouirand 2003,  Moron and Plaut 2003, Brönnimann et al. 2007). In casi di Nino, nell'ultima parte (feb-mar), aumenta la probabilità di avere il regime di tempo di tipo "Atlantic Low" (prima figura sotto, a sx), una configurazione effettivamente prevista dai modelli nei prossimi giorni. Parallelamente si riducono quelle di avere sia il regime di tempo connotato dalla zonalità "classica" sia del blocco europeo. In casi di Nino forte, aumentano a febbraio anche le chances di avere il Ridge atlantico (favorito in caso di SSTA+ sull'IO, soprattutto sulla sua parte occidentale, seconda figura sott, a dx, tutte tratte da Moron and Plaut 2003).


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Riferimenti bibliografici:

• Baldwin and Dunkerton 2001
• Baldwin et al. 2001
• Barnston et al. 1991
• Brönnimann et al. 2007
• Brugnara et al. 2013
• Butler et al. 2014
• Charlton and Polvani 2007
• Eden et al. 2015
• Fereday et al. 2012
• Fletcher and Kushner 2011
• Garfinkel and Hartmann 2007
• Garfinkel et al. 2012
• Gray et al. 2013
• Hartmann 2015
• Hurwitz et al. 2012
• Kucharski et al. 2006
• Labitzke 2004
• Maidens et al. 2013
• Mitchell et al. 2011
• Moffa-Sánchez et al. 2014
• Moron and Gouirand 2003
• Moron and Plaut 2003
• Riddle et al. 2013
• Scaife 2010
• Scaife et al. 2014
• Thiéblemont et al. 2015
• van Oldenborgh et al. 2013
• Wang 2002
• Zanchettin et al. 2007

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