La circolazione atmosferica nel nostro emisfero dall’inizio del 2014

L’inizio dell’anno è stato caratterizzato da una circolazione atmosferica un po’ particolare. La figura sottostante (tutte le mappe mostrate in questo post le ho realizzate con i dati prelevati dal sito NOAA/NCEP) mostra il valore medio dell’altezza di geopotenziale a 500 hPa (che può essere intesa in prima approssimazione come la quota alla quale la pressione è di 500 hPa, ovvero circa la metà di quella al livello del mare) nei primi 42 giorni del 2014. Le isoipse a tale quota ci dicono come si muovono, in media, le correnti. Nel seguito, abbrevierò la dicitura “altezza di geopotenziale” semplicemente con “geopotenziale”, valore ad essa proporzionale anche se propriamente quest’ultima è un’energia potenziale per unità di massa.

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Valore medio dell’altezza di geopotenziale a 500 hPa relativo ai primi 42 giorni del 2014 (in m). Dati NCEP/NCAR.

Si nota che la stuttura, identificabile dalla macchia azzurro-violacea più scura, che raggruppa i valori delle altezze inferiori, presenta cinque “punte”, abbastanza elongate e strette, raggruppate in due grossi lobi: uno è disposto tra l’America settentrionale, parte orientale, e le coste occidentali europee, mentre l’altra si estende dagli Urali alle coste nordorientali asiatiche. Il nucleo centrale di tale configurazione possiede la forma di una grossa Z in cui i due bracci hanno praticamente gli stessi valori.

Il lobo atlantico, molto allungato, nella zona colorata di giallo-verde indirizza, in media, delle correnti sudoccidentali dall’oceano Atlantico: tali correnti rappresentano delle linee guida che hanno diretto innumerevoli saccature in questo inizio di anno verso il Mediterraneo, saccature che, una volta giunte nei pressi delle Alpi, hanno dato il via a classici episodi di ciclogenesi sottovento alle Alpi (come Buzzi, Speranza e Tibaldi ci hanno insegnato in tutta una serie di magistrali articoli scritti negli anni ’80-’90: si veda ad esempio qui).

Anche le isole britanniche sono state colpite in pieno da correnti sudoccidentali intense (le isoipse sono molto ravvicinate) che hanno sospinto i fronti scaricandoli sulle prime alture che hanno trovato nel loro tragitto, e cioè le modeste colline inglesi (culminanti nel Ben Nevis, ma tanto basta…), e con essi tutta l’umidità raccolta nel tragitto sopra l’oceano Atlantico, nella parte centrale parzialmente scaldato dalla corrente del Golfo e quindi ricco di umidità. Il terreno inzuppato di acqua a causa delle abbondanti precipitazioni, l’assenza di evapotraspirazione nelle pause tra le piogge (a causa dei valori termici limitati e del fatto che, in questa stagione, le piante non hanno ancora le foglie), la presenza di pendii molto dolci o quasi inesistenti, e quindi correnti fluviali lente a trasportare le piene verso le foci sono le concause che stanno mettendo in ginocchio le isole britanniche in questi giorni. Un altro aspetto non trascurabile è costituito dai valori termici relativamente alti, che non permettono nevicate neppure sulle alture, favorendo quindi la raccolta dell’acqua piovana sull’intera superficie dei bacini.

Un’altra caratteristica rimarchevole nella mappa è costituita dai valori superiori alla media assunti dal geopotenziale sulle regioni subtropicali orientali dei due oceani Atlantico e Pacifico, rispetto ai valori medi. Soprattutto sull’Atlantico, questo fatto comporta isoipse più ravvicinate alle medie latitudini, e quindi correnti più intense. L’ondulazione più pronunciata del lobo americano e la corrispondente anomalia positiva sul Pacifico tropicale orientale comporta allo stesso modo correnti più intense e più meridionali sull’America settentrionale, che appare tagliata in due parti all’incirca a metà: la parte orientale sotto l’influenza del lobo, e quindi delle correnti più fredde, e quella occidentale invece sotto l’influenza del promontorio sul Pacifico, e quindi dell’avvezione calda.

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Valore medio dell’altezza di geopotenziale a 500 hPa relativo ai primi 42 giorni di ogni anno tra il 1981 e il 2010 (climatologia, in m). Dati NCEP/NCAR.

L’andamento della media climatica relativa al periodo 1981-2010 ed allo stesso intervallo di giorni (qui sopra) mostra una struttura media con tre grossi lobi, dei quali i due principali risultano meno elongati di quanto non sia avvenuto nel 2014. In media, l’area di minimo è compresa tra il polo Nord e la baia di Baffin, con un lobo meno intenso rivolto verso il Giappone, ed uno appena abbozzato sugli Urali. Nel 2014 i due lobi principali sono invece della stessa intensità, molto superiore alla media, e sono anche molto elongati, mentre c’è un piccolo promontorio anticiclonico sulla Scandinavia. Il lobo Atlantico nel 2014 coinvolge anche le latitudini medioalte, interessando Canada e USA orientali e allungandosi fino alle isole britanniche, con isoipse disposte quasi lungo i paralleli sull’Atlantico. Notiamo come, nella configurazione media, il bacino occidentale del Mediterraneo sia interessato da correnti provenienti da Ovest-Nord-Ovest, e le isoipse siano ivi divergenti e allargate, segno di correnti non molto intense, a differenza di quanto riscontrato, invece, nel 2014, la cui configurazione mostrava isoipse raggruppate, e quindi correnti mediamente più intense, provenienti da sudovest.

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Anomalia dell’altezza di geopotenziale a 500 hPa relativa ai primi 42 giorni tra il 2014 ed il periodo 1981-2010 (in m). Dati NCEP/NCAR.

L’anomalia del geopotenziale a 500 hPa del 2014 rispetto al periodo medio di riferimento, sempre per i primi 42 giorni dell’anno, ovvero la differenza tra le due mappe precedenti, mostra valori inferiori alla media alle latitudini medioalte dell’oceano Atlantico e su Stati Uniti e Canada orientali, e, in misura minore, sulla Siberia, e valori decisamente superiori alla media sulle zone polari e anche subtropicali dell’oceano Atlantico. In particolare, si nota come l’anomalia più negativa, sull’oceano Atlantico settentrionale, sia posta in mezzo a due zone con anomalia positiva, rispettivamente poste vicino al polo Nord e poco ad est degli Stati Uniti sudorientali.

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Valore medio del vento a 500 hPa relativo ai primi 42 giorni del 2014 (in m/s). Dati NCEP/NCAR.

È interessante osservare come i valori del geopotenziale si ripercuotano sulle correnti alla stessa quota barica. In sequenza, sono riportate le velocità del vento relative a 500 hPa per il 2014, per il periodo climatico di riferimento 1981-2010, e l’anomalia delle stesse.

Nel 2014, si ha una zona di forti correnti zonali tra le coste orientali degli Stati Uniti e del Canada, e la penisola iberica; la velocità del vento in questa zona è superiore a quella che si riscontra sul Pacifico orientale alle stesse latitudini medioalte. È inoltre rimarchevole la netta curvatura delle correnti nei pressi delle isole britanniche, interessate da correnti sudoccidentali molto intense.

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Valore medio del vento a 500 hPa relativo ai primi 42 giorni di ogni anno tra il 1981 e il 2010 (climatologia, in m/s). Dati NCEP/NCAR.

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Anomalia della velocità del vento a 500 hPa relativa ai primi 42 giorni tra il 2014 ed il periodo 1981-2010 (in m/s). Dati NCEP/NCAR.

Tale andamento è sensibilmente differente da quello medio, che mostra invece la presenza di venti più intensi sul Pacifico che non sull’Atlantico, e una curvatura molto più dolce delle correnti in arrivo sull’Europa nordoccidentale. Anche i flussi in transito sul Mediterraneo occidentale sono moderati occidentali, e non forti sudoccidentali come è avvenuto nei primi giorni del nel 2014. Si nota anche come, sul nord America, le correnti abbiano un andamento più occidentale e meno settentrionale, almeno in media, rispetto a quanto avvenuto nel 2014.

Questa differenza è ben evidente sulla mappa dell’anomalia del vettore velocità del vento orizzontale a 500 hPa, ovvero la mappa delle differenze tra le due mappe precedenti. Essa evidenzia sia i venti più intensi della media sull’Atlantico centrale che la forte curvatura presente ad ovest delle isole britanniche, che su questa mappa si configura proprio come se si trattasse di un ciclone secondario.

Passiamo ora ad analizzare le mappe relative alla quota barica di 100 hPa. In atmosfera standard, 100 hPa corrispondono a circa 16 km di quota, un livello che, d’inverno, a latitudini polari o delle medie latitudini, si trova nella bassa stratosfera, poco sopra la tropopausa che, come noto, rappresenta il limite superiore della troposfera.

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Valore medio dell’altezza di geopotenziale a 100 hPa relativo ai primi 42 giorni del 2014 (in m). Dati NCEP/NCAR.

Perchè uno dovrebbe guardare delle mappe relative a quote così elevate? La circolazione atmosferica a quote così alte è molto meno distorta di quella relativa alla troposfera, e risente in pratica soltanto dei “disturbi” a grande scala. Questo poiché la stratosfera è uno strato caratterizzato da una elevata stabilità termica, dovuta al fatto che ivi la temperatura cresce con la quota.

La prima mappa che mostriamo si riferisce ai primi 42 giorni del 2014. Si nota come siano presenti due lobi, quasi della stessa intensità, molto elongati verso sud. Uno dei due si estende in Asia fino a sfiorare la Mongolia, mentre l’altro abbraccia la parte orientale del continente nordamericano. Si può notare ache come, in corrispondenza di Alaska e Scandinavia, sia presente una rimonta di alti valori digeopotenziale, che favoriscono così una struttura simile al numero OTTO.

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Valore medio dell’altezza di geopotenziale a 100 hPa relativo ai primi 42 giorni di ogni anno tra il 1981 e il 2010 (climatologia, in m). Dati NCEP/NCAR.

L’andamento climatologico (media del periodo 1981-2010) della circolazione a questa quota è invece normalmente trilobato. Il lobo europeo, il cui asse si trova in pratica sugli Urali, è il meno evidente dei tre, ma anche gli altri due, pur essendo posizionati, come asse, quasi esattamente come nel 2014, appaiono molto meno profondi ed elongati, così come la rimonta di alto geopotenziale evidente nel 2014 sul nord Europa non fa parte delle caratteristiche climatiche della circolazione a queste quote. Notiamo anche come le correnti atlantiche, dirette dall’America verso l’Europa alle medie latitudini, appaiano molto più tese nel 2014 di quanto non lo siano in media.

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Anomalia dell’altezza di geopotenziale a 100 hPa relativa ai primi 42 giorni tra il 2014 ed il periodo 1981-2010 (in m). Dati NCEP/NCAR.

L’esame della mappa relativa all’anomalia di geopotenziale a 100 hPa del 2014 rispetto alla media climatica evidenzia proprio le peculiarità del 2014: la presenza dei due lobi molto più profondi ed elongati verso sud su Asia e America, l’assenza del lobo europeo, sostituito da un’anomalia positiva di geopotenziale sulla Scandinavia, e l’anomalia positiva presente anche sull’Atlantico tropicale. Queste caratteristiche si ripercuotono sull’intensità delle correnti, che nel 2014 fluiscono molto più velocemente e vorticosamente sull’Asia, sul nord America e sull’Atlantico.

Anche la mappa delle anomalie termiche superficiali è notevole. Nei pressi del polo nord è presente un’area con oltre +14°C di anomalia, e comunque tutte le aree colorate di giallo, arancione e rosso evidenziano anomalie di oltre 6°C nell’intera zona artica.

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Anomalia della temperatura media superficiale relativa ai primi 42 giorni tra il 2014 ed il periodo 1981-2010 (in °C). Dati NCEP/NCAR.

La mappa evidenzia come il freddo si sia spostato seguendo i lobi del geopotenziale, coinvolgendo in primis la Siberia e il Kazakistan, dove si sono registrate anomalie termiche fredde comprese tra -6 e -12 °C (di cui nessuno ha parlato sui media), e poi anche Canada ed USA orientali (con anomalie tra -2 e -6 °C, valori sicuramente ragguardevoli, ma che hanno raggiunto la notorietà della cronaca soltanto perchè hanno interessato le zone ad alta densità di popolazione abitate dalla prima nazione del mondo.

A prima vista, la mappa potrebbe apparire “poco colorata”, ma la cosa non inganni: le aree con variazioni tra +/-2°C sono infatti bianche, e 2°C non sono poca cosa. Ad esempio, l’area del Mediterraneo occidentale, che ci comprende, possiede un’anomalia termica compresa tra +1 e +2 °C. È tanto o poco? Tradotta in incremento del livello della quota neve, ad esempio, o anche di livello dello zero termico, 2°C in più significano quasi 300-400 metri di quota più elevata, in media. Non è certamente poco, considerando che 300-400 metri di quota in più significano una buona percentuale di bacino che riceve pioggia invece di neve, e quindi acqua che è in grado di entrare subito in circolo e trasformarsi in portata fluviale.

La mappa sopra riportata dell’anomalia termica rende conto di alcune notizie di cronaca, almeno per quanto riguarda il lobo del vortice polare che si è disteso sopra una porzione degli USA: quella orientale. Hanno fatto grande notizia (si veda ad esempio questo post) soprattutto le basse temperature registrate negli stati orientali degli USA in occasione di ripetute ondate di gelo associate a tempeste di neve, che hanno colpito anche le coste orientali in questo inizio del 2014. Ha fatto invece molto meno scalpore il record di caldo registrato in Alaska nello stesso periodo (per trovarne notizia occorre andare sui siti e blog meteo specializzati, come questo; i media classici hanno appena accennato la cosa), mentre uno spazio più ampio è stato dedicato alla siccità californiana (vedi qui), che non è stata attenuata dalle recenti piogge (vedi qui). Sebbene tali notizie siano state anche usate dai negazionisti dei cambiamenti climatici come prova per affermare che il riscaldamento globale è una bufala (per esempio leggere qui), il mondo scientifico si è invece interrogato cercando di capire se questo sia veramente un segnale di cambiamento globale del tempo meteorologico associato al global warming. In particolare, si è cercato di capire se le estensioni minime della copertura glaciale artica nella stagione calda (a settembre) possa avere avuto un ruolo determinante nelle anomalie climatiche invernali, che recentemente hanno visto frequentemente fuori posizione il vortice polare.

Uno dei ragionamenti che è stato fatto è che il motore che guida le correnti a scala globale è la differenza di altezza di geopotenziale tra le zone del polo nord e quelle tropicali. In condizioni cosiddette “normali” (ovvero, nel clima del secolo scorso), il gradiente termico tra polo nord ed equatore ha un certo valore, fluttuante tra anno ed anno per effetto delle oscillazioni interannuali e dei fenomeni di teleconnessione, ma comunque pari ad un certo valore medio. Per effetto della maggiore fusione estiva della calotta glaciale artica, si ipotizza che una maggiore porzione di acqua superficiale nell’artico riceva ed immagazzini energia nel tardo autunno ed inizio inverno, prima cioè che la calotta di ghiacio stagionale si riformi. L’incremento termico conseguente, in linea con i rapidi e vistosi aumenti di temperatura registrati nell’artico, potrebbe far calare il gradiente di temperatura polo-equatore, e questo potrebbe avere come conseguenza una diminuzione dell’intensità media delle correnti. Venti in quota più deboli potrebbero pertanto contribuire a rendere meno stabile il vortice polare, che così potrebbe far assumere delle ondulazioni più pronunciate alla corrente a getto, ed alle onde di Rossby ad essa collegate, favorendo pattern di circolazione atmosferica molto più meridionali del solito. L’effetto potrebbe essere analogo a quello della precessione di una trottola, fenomeno visibile quando diminuisce la velocità di rotazione della trottola stessa (si veda questo filmato): quando la trottola rallenta, inizia ad oscillare molto, come se improvvisamente si fosse ubriacata. Questo indebolimento delle correnti potrebbe pertanto far sì che il vortice polare inizi a oscillare sempre di più, creando meandri sempre più ampi all’interno dei quali aria molto fredda occupa latitudini più meridionali (in questo caso nella East Coast americana o, più recentemente, in Giappone) mentre, al contempo, aria molto calda si spinge invece a latitudini più settentrionali (come già visto, California e Alaska, ma temporaneamente anche Scandinavia).

Un esempio di “meandering” del vortice polare è stato osservato, ad esempio, nel gennaio 2013, ed è visualizzabile su questo filmato. Tuttavia, se la lunghezza d’onda di questo tipo di ondulazioni a scala planetaria è quella “giusta”, può inoltre succedere anche che le ondulazioni diventino stazionarie, favorendo quindi una persistenza delle condizioni per lunghi periodi di tempo, come sta accadendo quest’anno. Su questo sito si trovano alcune interessanti considerazioni sul legame tra le onde planetarie, o di Rossby (dal nome dello scienziato Gustaf Rossby che per primo le studiò teoricamente), il vortice polare ed i riscaldamenti improvvisi stratosferici.

Da notare che, oltre alle questioni legate agli sbalzi termici, conseguenze altrettanto e forse ancora più serie sono legate all’andamento delle precipitazioni, sia dove esse sono in eccesso (in questi giorni, sulle isole britanniche, e poche settimane fa sull’Italia settentrionale e centrale), a causa di frequenti assi di saccatura o effetti ciclogenetici, sia dove sono in difetto (per esempio, in California), per effetto della configurazione anticiclonica del campo. In entrambi i casi, la presenza di correnti più rapide rispetto alla media favorirebbe lo sviluppo di eventi più energetici e, quindi, di maggiore intensità.

Tale ipotesi, pur essendo controintuitiva (è difficile immaginare che la scomparsa del ghiaccio marino artico durante la stagione calda comporti situazioni più fredde del solito in determinate aree) è nello stesso tempo suggestiva e drammatica, in quanto confermerebbe non solo il ruolo centrale dell’uomo sul riscaldamento globale e la sua capacità di modificarne alcuni meccanismi chiave legati addirittura alla circolazione generale atmosferica, ma anche la considerazione che, senza misure di mitigazione, la Terra continuerà a riscaldarsi nel corso del prossimo secolo, con gravi ripercussioni sul suo clima.

Nel contempo, come fa notare ad esempio questa lettera su Science, essa necessita ancora di solide verifiche sperimentali, poiché la circolazione atmosferica a grande scala presenta una variabilità naturale molto grande in tutte le stagioni, e al momento ci sono troppi pochi casi per consentire di elaborare una teoria generale. È pertanto ancora prematuro paventare, per i prossimi anni, una recrudescenza del freddo invernale, soprattutto alla luce della considerazione che, in ogni caso, le temperature medie tenderanno comunque ad incrementarsi.

Resta comunque il fatto che, in linea generale, il riscaldamento globale in atto comporta delle conseguenze dirette e indirette. Tra le prime, si annoverano, ad esempio, l’aumento delle temperature e delle precipitazioni a scala globale. Se la distribuzione delle precipitazioni è molto complessa da dettagliare a scala locale o regionale, quello che invece è più prevedibile è un incremento degli episodi di precipitazioni piovose a quote maggiori rispetto ad oggi, fatto che comporterà inevitabilmente un maggior quantitativo di acqua nei fiumi.

La possibilità di un’alterazione della circolazione atmosferica globale, e dello spostamento del vortice polare, fa parte, invece, delle possibili conseguenze indirette. Nonostante molti dettagli sulle cause di teli fenomenologie richiedano ancora studi approfonditi sui meccanismi che li generano, o sugli effetti delle teleconnessioni (si veda ad esempio questo post), è un fatto che le cronache di questi giorni di inizio 2014, così come era successo anche in altri inverni recenti o in altre stagioni, mostrano un elenco ancora troppo numeroso di vittime e danni da maltempo, o per troppo freddo, o per troppa siccità, o per troppa pioggia. Queste cifre evidenziano, purtroppo, come la società moderna sia ancora impreparata a fronteggiare gli eventi meteorologici estremi, e quindi come sia necessario percorrere ancora molta strada sulla via dell’adattamento.

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