Prevedere l’andamento delle stagioni con mesi di anticipo è stata per decenni una delle sfide più complesse e affascinanti della meteorologia moderna. Per molto tempo, il settore euro-atlantico è stato considerato una regione dominata dal “rumore” atmosferico, in cui i segnali provenienti dai tropici tendevano a disperdersi. Tuttavia, la comprensione dell’accoppiamento tra stratosfera e troposfera ha rivoluzionato il campo della prevedibilità a lungo termine. Tra i pionieri mondiali di questa svolta scientifica spicca il Prof. Adam Scaife, responsabile delle previsioni mensili e decennali presso il UK Met Office e docente all’Università di Exeter.
Le sue ricerche hanno dimostrato come l’accumulo di calore nel Pacifico equatoriale durante gli eventi di El Niño sia in grado di innescare il cosiddetto “ponte stratosferico“: un treno d’onde planetarie capace di risalire fino alla stratosfera, indebolire il Vortice Polare e ribaltare la circolazione atmosferica invernale sull’Europa. In questa intervista esclusiva per MeteoWeb, il Prof. Scaife ci accompagna nei meccanismi fisici delle teleconnessioni, analizza l’impatto della QBO, il ruolo del cambiamento climatico e l’ingresso dell’Intelligenza Artificiale nelle previsioni stagionali. Di seguito, il testo integrale delle domande e delle risposte.
Prof. Scaife, per decenni il settore europeo è stato considerato una regione dominata dal “rumore”, con deboli segnali ENSO. Il suo lavoro ha evidenziato il ruolo cruciale del “ponte stratosferico”. Da una prospettiva fisica, in che modo il riscaldamento del Pacifico tropicale durante El Niño disturba le onde di Rossby planetarie fino a provocare un indebolimento o un crollo ritardato del Vortice Polare stratosferico a metà o fine inverno?
“È un’ottima domanda. Il riscaldamento del Pacifico tropicale durante El Niño genera una forte divergenza nella parte superiore della troposfera, costituendo un vero e proprio disturbo su scala planetaria. Questo innesca una risposta sotto forma di onde di Rossby atmosferiche di proporzioni globali, che si estende verso il Nord Pacifico fino alle Isole Aleutine e prosegue a est attraverso il Nord America. Dal punto di vista climatologico, la regione delle Aleutine è un’area di persistente bassa pressione; quando El Niño è attivo e l’onda di Rossby raggiunge le Aleutine, tende a trovarsi nella sua fase di bassa pressione, approfondendo ulteriormente la depressione aleutina e amplificando la meandrizzazione della corrente a getto extratropicale. Soltanto le onde su più vasta scala della jet stream possono propagarsi verso l’alto fin dentro la stratosfera, dove disturbano il Vortice Polare e aumentano le probabilità di un Riscaldamento Stratosferico Improvviso (SSW). Una volta che il normale vortice polare stratosferico occidentale viene disturbato, i consueti venti da ovest si indeboliscono notevolmente o vengono sostituiti da venti orientali, e questo disturbo può propagarsi a ritroso verso la troposfera. A questo punto, le tempeste troposferiche lungo la corrente a getto si indeboliscono e il risultato è un’alta probabilità di venti da est sul settore euro-atlantico, sostituendo l’aria mite e umida marittima con aria fredda continentale invernale sull’Europa settentrionale. Questa catena di eventi è ormai molto chiara sia nelle osservazioni storiche sia nei modelli climatici che utilizziamo per le previsioni a lungo termine, e spiega alcuni eventi chiave. Naturalmente, rimane sempre un certo “rumore” imprevedibile, motivo per cui questo processo non si manifesta esattamente allo stesso modo ogni volta“.
Quando il segnale stratosferico si propaga verso la superficie, si manifesta spesso come una fase negativa dell’Oscillazione del Nord Atlantico (NAO-). Quali sono le condizioni atmosferiche o i “gatekeeper” fisici che determinano se un vortice polare indebolito riesce ad accoppiarsi con la troposfera sull’Atlantico settentrionale invece di rimanere confinato in stratosfera?
“Ad essere sinceri, non conosciamo ancora del tutto la risposta a questa domanda, nonostante i numerosi studi condotti dal mio gruppo di ricerca e da altri team in tutto il mondo. Circa il 70% dei Riscaldamenti Stratosferici Improvvisi (SSW) si traduce in una successiva ondata di freddo al suolo, quindi si tratta chiaramente di un effetto reale, ma è altrettanto vero che non accade ogni singola volta. Riteniamo che le condizioni troposferiche (come l’Oscillazione di Madden-Julian (MJO)) possano alterare o mascherare il segnale. Inoltre, è possibile che soltanto gli SSW più intensi nella bassa stratosfera siano davvero efficaci nel trasferire gli effetti in superficie, ma la questione è ancora oggetto di aperto dibattito scientifico“.
La teleconnessione ENSO verso il clima invernale europeo è simmetrica? Vale a dire, La Niña esercita una forza ugualmente intensa e opposta verso una fase di NAO positiva, oppure le non-linearità nella propagazione delle onde atmosferiche rendono l’influenza di El Niño più pronunciata?
“Questa è una domanda complessa che richiede una risposta articolata. L’effetto di La Niña appare più contenuto in molte analisi, non da ultimo perché gli eventi di La Niña stessi sono spesso più deboli rispetto a El Niño: le fasi di La Niña osservate raggiungono al massimo anomalie di circa 2°C, mentre El Niño può superare nettamente tale soglia. A parte questa ovvia asimmetria, molti modelli di previsione sono abbastanza simmetrici, mostrando una NAO positiva a seguito di La Niña e una NAO negativa dopo El Niño. Tuttavia, la storia non finisce qui: alcuni studi osservazionali suggeriscono che, mentre El Niño genera una NAO negativa, La Niña non produca l’effetto opposto. Alcuni ricercatori hanno persino ipotizzato che entrambe le fasi possano aumentare la frequenza dei riscaldamenti stratosferici e, di conseguenza, le probabilità di NAO negativa. Il problema principale qui è legato al campionamento: mentre le simulazioni modellistiche offrono centinaia di anni di dati e risultati robusti, le registrazioni osservative storiche sono limitate. Ci troviamo quindi con il sospetto che i modelli possano essere troppo simmetrici, unito a un certo grado di incertezza sulla reale risposta della natura“.
La previsione stagionale richiede la valutazione simultanea di molteplici driver remoti. In che modo la fase dell’Oscillazione Quasi-Biennale (QBO) o le anomalie termiche dell’Atlantico tropicale amplificano o interferiscono negativamente con il segnale primario di ENSO diretto verso l’Europa?
“Si tratta di driver ulteriori e cruciali per il meteo atlantico ed europeo, specialmente durante la stagione invernale. Poiché i nostri modelli di previsione sono globali e si basano sulle leggi della fisica, in linea di principio sono in grado di rappresentare tutti questi effetti combinati. Per questo motivo, sebbene sia possibile analizzare i singoli fattori e trarre conclusioni basate sulla fase di ENSO o della QBO, l’output dei modelli numerici rimane spesso il miglior integratore di questi effetti complessi. Una buona regola empirica indica che una QBO orientale combinata con El Niño favorisce condizioni più fredde e una NAO negativa, rispetto a una QBO occidentale accoppiata a La Niña. Per quanto riguarda l’Atlantico tropicale, si tratta di un caso interessante in cui i modelli matematici incontrano maggiori difficoltà nel produrre simulazioni accurate, principalmente a causa di distorsioni nella simulazione degli oceanici: è un tema di grandissima attualità su cui la ricerca sta lavorando intensamente“.
Con l’aumento delle temperature globali, i modelli climatici proiettano cambiamenti nella sensibilità convettiva tropicale e nella stabilità stratosferica. In che modo ci si aspetta che il cambiamento climatico alteri la forza della teleconnessione ENSO-Europa nei prossimi decenni?
“Attualmente diversi studi convergono tutti nella stessa direzione: il legame tra ENSO ed Europa è destinato a rafforzarsi in futuro. Ciò è dovuto in parte all’effetto del cambiamento climatico sulle precipitazioni: ci aspettiamo un aumento delle piogge a parità di intensità di un evento El Niño, anche in assenza di modifiche nella forza di El Niño nell’oceano stesso. Quindi, a parità di altre condizioni e pur considerando le molte criticità del riscaldamento globale, questo fenomeno potrebbe paradossalmente aumentare la nostra capacità di elaborare previsioni stagionali accurate per l’Europa“.
Il sistema di previsione GloSea del Met Office rappresenta l’avanguardia della modellistica stagionale. Guardando al futuro, come vede l’integrazione dei modelli di Intelligenza Artificiale e Machine Learning nel migliorare le previsioni sub-stagionali e stagionali per i blocchi ad alta latitudine e gli estremi meteo in Europa?
“Si tratta di uno sviluppo estremamente affascinante e ricco di prospettive future. Di recente abbiamo pubblicato le prime dimostrazioni di previsioni stagionali globali accurate utilizzando un modello di Intelligenza Artificiale/Machine Learning (AI/ML), e stiamo conducendo ulteriori test sulle previsioni d’insieme (ensemble) tramite l’IA. A differenza delle previsioni meteorologiche a breve termine, dove i metodi AI/ML riescono già a garantire punteggi di accuratezza superiori, la capacità di previsione stagionale di questi modelli non ha ancora raggiunto il livello dei migliori sistemi basati sulla fisica. Ciononostante, i risultati sono impressionanti: la distribuzione globale dell’accuratezza nelle previsioni stagionali con l’IA è molto simile a quella dei sistemi fisici, riuscendo a simulare le strutture di blocco atmosferico e mostrando una buona abilità nel prevedere, ad esempio, la NAO invernale. Se questi nuovi modelli di IA potranno essere sviluppati fino a raggiungere la medesima accuratezza dei sistemi fisici tradizionali, nell’ambito delle previsioni operative potremo integrare i costosi sistemi d’insieme generando un numero elevatissimo di membri tramite l’IA a costi computazionali decisamente inferiori“.
I punti chiave dell’analisi del Prof. Adam Scaife
- Il meccanismo di trasmissione: El Niño innesca onde di Rossby che approfondiscono la depressione aleutina, amplificano la meandrizzazione della jet stream e disturbano il Vortice Polare in stratosfera, aumentando la probabilità di blocchi freddi (NAO-) sull’Europa.
- Il ruolo dell’accoppiamento: Circa il 70% dei riscaldamenti stratosferici si traduce in un’ondata di freddo al suolo, anche se fattori troposferici come la MJO o l’intensità del disturbo nella bassa stratosfera determinano il successo dell’accoppiamento.
- Il futuro con il Climate Change: L’aumento della sensibilità convettiva legata al riscaldamento globale renderà la risposta di El Niño più marcata, aumentando la prevedibilità delle stagioni invernali europee nei prossimi decenni.
- La rivoluzione dell’IA: L’Intelligenza Artificiale non sostituirà i modelli fisici tradizionali come GloSea nelle previsioni stagionali a breve, ma permetterà di affiancarli generando ensemble massivi a basso costo computazionale.
Le conclusioni del Prof. Adam Scaife
Le parole del Prof. Adam Scaife tracciano una linea di demarcazione netta tra la vecchia meteorologia stagionale, un tempo considerata quasi speculativa per il continente europeo, e la moderna scienza della prevedibilità. Oggi sappiamo che il meteo dei nostri inverni non si decide per puro caso: il “ponte stratosferico” rappresenta una vera e propria autostrada dell’informazione atmosferica che lega il calore dell’Oceano Pacifico alle grandi colate di aria fredda sul continente europeo.
Con l’avvento del riscaldamento globale, la risposta dei tropici diventerà ancora più marcata, offrendo ai modelli numerici un segnale più nitido da interpretare. Se a questo uniamo la rivoluzione dell’Intelligenza Artificiale, capace di affiancare supercomputer come quelli del Met Office per generare previsioni d’insieme sempre più dettagliate a costi ridotti, il futuro della meteorologia a lungo termine si preannuncia affascinante. La sfida non è più soltanto prevedere il tempo di domani, ma anticipare con mesi di anticipo i grandi scenari del clima che verrà.