Perché l'ITCZ si sposta e come? - Climate Dynamics Group

Precipitazioni medie annuali (colori) e venti superficiali (frecce). I dati di precipitazione sono da TRMM-TMPA per gli anni 1998- 2012, e i dati del vento sono basati sulla rianalisi intermedia ECMWF per gli stessi anni. Da Schneider et al. (2014).

La maggior parte della pioggia sulla Terra cade nella fascia di pioggia tropicale nota come Intertropical Convergence Zone (ITCZ), che in media si trova 6° a nord dell’equatore. Negli ultimi 15 anni, è diventato chiaro che la posizione dell’ITCZ può spostarsi drasticamente in risposta a cambiamenti remoti, per esempio, nella copertura dei ghiacci artici. Ma gli attuali modelli climatici hanno difficoltà a simulare accuratamente l’ITCZ, mostrando spesso due ITCZ a nord e a sud dell’equatore quando in realtà ce n’è solo una. Cosa controlla la sensibilità dell’ITCZ ai forcing remoti? E come nascono le distorsioni dei modelli dell’ITCZ?

Gli studi sul paleoclima (ad esempio, Peterson et al. 2000, Haug et al. 2001) e una serie di studi modellistici a partire da Vellinga e Wood (2002), Chiang e Bitz (2005) e Broccoli et al. (2006) hanno rivelato un importante fattore di spostamento dell’ITCZ: il riscaldamento o il raffreddamento differenziale degli emisferi sposta l’ITCZ verso l’emisfero che si riscalda in modo diverso. Così, quando l’emisfero settentrionale si riscalda, per esempio, perché la copertura di ghiaccio settentrionale e con essa l’albedo polare si riduce, l’ITCZ si sposta verso nord. Questo può essere razionalizzato come segue: Quando l’atmosfera riceve energia supplementare nell’emisfero settentrionale, cerca di correggere questo squilibrio trasportando energia attraverso l’equatore da nord a sud. La maggior parte del trasporto di energia atmosferica vicino all’equatore è realizzato dalla circolazione di Hadley, la circolazione tropicale media rovesciata. L’ITCZ si trova ai piedi del ramo ascendente della circolazione di Hadley, e la circolazione trasporta energia in direzione del suo ramo superiore, perché l’energia (o, più precisamente, l’energia statica umida) di solito aumenta con l’altezza nell’atmosfera. Il trasporto di energia verso sud attraverso l’equatore richiede quindi una ITCZ a nord dell’equatore, quindi il ramo superiore della circolazione di Hadley può attraversare l’equatore andando da nord a sud.

Per capire quanto lontano dall’equatore si trova l’ITCZ, aiuta a considerare il bilancio energetico atmosferico stazionario

$\mathrm{div}, F = \mathcal{R} - \mathcal{O}$ ,

dove $F$ è il flusso di energia integrato verticalmente nell’atmosfera, $\mathcal{R}$ è l’input netto di energia radiativa in una colonna atmosferica (la differenza tra la radiazione assorbita a onde corte e quella emessa a onde lunghe), e $\mathcal{O}$ è l’assorbimento di energia oceanica in superficie. Il bilancio energetico afferma che l’atmosfera trasporta energia dalle regioni di input netto di energia $\mathcal{R}-\mathcal{O}$ (ad esempio, i tropici) verso le regioni di perdita netta di energia (ad esempio, gli extratropici). Broccoli et al. (2006) e Kang et al. (2008) hanno osservato che, poiché l’ITCZ si trova approssimativamente dove il trasporto meridiano di massa atmosferica nella circolazione di Hadley svanisce, si trova tipicamente anche vicino a dove il trasporto di energia atmosferica svanisce: all'”equatore del flusso di energia” (EFE) dove $F=0$ . Questo ci permette di ottenere una relazione quantitativa tra l’EFE o ITCZ e le quantità del bilancio energetico atmosferico. Concentrandosi sulla media zonale (es, presa attraverso un settore di longitudine sufficientemente ampio) ed espandendo il flusso di energia $F$ intorno all’equatore (indicato con pedice 0) al primo ordine in latitudine $delta$ dà

$F(\delta) \approx F_0 + (\mathrm{div}, F)_0 a \delta$ ,

dove $a$ è il raggio della Terra. Equiparando $delta$ con la latitudine dell’EFE o ITCZ implica $F(\delta) \approx 0$ , e possiamo risolvere la precedente espansione per $\delta$ :

$delta = -\frac{1}{a} \frac{F_0}{mathcal{R}_0-\mathcal{O}_0}$ ,

dove abbiamo sostituito $\mathcal{R} - \mathcal{O}$ per la divergenza del flusso di energia equatoriale dal bilancio energetico sopra.

La relazione di primo ordine per $delta$ mostra che (1) la posizione dell’ITCZ è più a sud più forte è il flusso di energia atmosferica verso nord $F_0$ attraverso l’equatore, e (2) l’ITCZ è più lontana dall’equatore, più debole è l’input netto di energia atmosferica $\mathcal{R}_0 - \mathcal{O}_0$ all’equatore.

Il seguente disegno illustra graficamente queste relazioni:

Flusso energetico atmosferico meridiano e flusso energetico all'equatore basato sui dati della rianalisi provvisoria ECMWF per il 1998-2012 — Flusso energetico atmosferico meridiano (rosso) e flusso energetico all’equatore basato sui dati della rianalisi provvisoria ECMWF per il 1998-2012 (Trenberth e Fasullo 2012). L’ombreggiatura in rosso chiaro indica un errore standard stimato di 0,2 PW (l’incertezza reale è poco conosciuta). La linea blu disegna uno scenario ipotetico con un flusso di energia cross-equatoriale rafforzato. Da Schneider et al. (2014).

La figura mostra il flusso energetico statico umido atmosferico $F$ nella media zonale e annuale nel clima attuale (linea rossa). Dati i valori equatoriali del flusso di energia $F_0$ e della sua ‘pendenza’ con la latitudine $\mathcal{R}_0-\mathcal{O}_0$ , il flusso di energia all’equatore $\delta$ può essere determinato usando gli argomenti di cui sopra. Se il flusso energetico trasversale equatoriale verso nord $F_0$ si rafforza (indicato schematicamente dalla linea blu), ma la pendenza $\mathcal{R}_0-\mathcal{O}_0$ rimane fissa, l’equatore del flusso energetico $\delta$ si sposta verso sud. Allo stesso modo, se $\mathcal{R}_0-\mathcal{O}_0$ aumenta, l’equatore del flusso di energia si sposta verso l’equatore.

Diversi studi precedenti avevano sottolineato che la posizione dell’ITCZ è proporzionale al flusso di energia cross-equatoriale $F_0$ (ad esempio, Kang et al. 2008, Frierson e Hwang 2012, e Donohoe et al. 2013). Che l’input netto di energia atmosferica modula la sensibilità della posizione dell’ITCZ al flusso cross-equatoriale è stato sottolineato in Bischoff e Schneider (2014).

Quali sono alcune implicazioni di queste intuizioni dal bilancio energetico? L’analisi richiama l’attenzione sull’importanza per l’ITCZ del bilancio energetico atmosferico vicino all’equatore. L’input netto di energia atmosferica $\mathcal{R}-\mathcal{O}$ vicino all’equatore è il piccolo residuo (~20 W m2) delle grandi cancellazioni tra la radiazione assorbita di onde corte (~320 W m2), la radiazione emessa di onde lunghe (~250 W m2), e l’assorbimento di energia oceanica (~ 50 W m2). Sottili spostamenti in uno qualsiasi di questi grandi termini possono portare a cambiamenti relativamente grandi nell’input netto di energia atmosferica vicino all’equatore e quindi a grandi spostamenti dell’ITCZ. Allo stesso modo, il flusso energetico cross-equatoriale $F_0$ (~-0.2 PW) rappresenta un piccolo squilibrio residuo tra i due emisferi che hanno ciascuno, per esempio, guadagni di energia radiativa a onde corte e perdite di energia radiativa a onde lunghe di decine di PW. Questo rende l’ITCZ un registratore sensibile del bilancio energetico atmosferico, e probabilmente spiega le grandi oscillazioni nella posizione dell’ITCZ dedotte dai proxy paleoclimatici (vedi Schneider et al. 2014 per una revisione).

I risultati del bilancio energetico indicano anche un modo per comprendere il bias della doppia ITCZ nei modelli climatici. L’espansione di primo ordine di cui sopra si rompe quando l’input netto di energia atmosferica svanisce. In questo caso, bisogna passare a un ordine superiore in latitudine, ed emergono soluzioni multiple per la posizione dell’ITCZ. Ne discuteremo in un prossimo post.

Un limite delle intuizioni del bilancio energetico è che non forniscono una comprensione meccanicistica chiusa di ciò che controlla la posizione dell’ITCZ. Grandezze come l’input netto di energia atmosferica $\mathcal{R}-\mathcal{O}$ e il flusso di energia cross-equatoriale $F_0$ dipendono dalla forza della circolazione di Hadley, tra altri fattori, che a sua volta dipende dalla posizione dell’ITCZ. Come questi siano collegati meccanicamente (per esempio, attraverso l’equilibrio del momento angolare) rimane un argomento di ricerca in corso.

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