Understanding ENSO asymmetry with a reduced stochastic model: deterministic nonlinearity and multiplicative noise
Questo studio impiega un modello stocastico ridotto derivato da osservazioni giornaliere per dimostrare che il drift deterministico non lineare, piuttosto che il rumore dipendente dallo stato, è il meccanismo principale che guida l'asimmetria di ENSO, un reperto che spiega anche le differenze intermodello nelle simulazioni CMIP6 attraverso variazioni nel damping efficace della SST.
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L'El Niño-Oscillazione Meridionale del Pacifico, o ENSO, è un enorme e naturale schema climatico che oscilla avanti e indietro attraverso l'Oceano Pacifico tropicale. È il motore dietro le più significative variazioni meteorologiche annuali del mondo, spostando i modelli di precipitazioni, le temperature e le rotte delle tempeste dalle Americhe all'Asia. Al cuore di questo sistema risiede un ciclo di feedback semplice ma potente: quando l'acqua superficiale nel Pacifico orientale si riscalda, indebolisce i venti costanti che solitamente soffiano da est verso ovest. Questi venti che si indeboliscono, a loro volta, permettono all'acqua calda di diffondersi ulteriormente verso est, creando un ciclo di auto-rinforzo che può trasformarsi in un grande evento El Niño. Viceversa, quando l'acqua si raffredda, i venti si intensificano, spingendo l'acqua calda lontano e approfondendo il freddo. Sebbene questo ciclo sia ben compreso, un mistero ostinato persiste da decenni: le oscillazioni non sono uguali. Gli eventi El Niño caldi tendono a essere molto più intensi e drammatici rispetto agli eventi La Niña freddi. La distribuzione di questi eventi è sbilanciata, con l'oceano capace di riscaldarsi fino a gradi estremi ma raramente di raffreddarsi con la stessa ferocia. Gli scienziati hanno a lungo dibattuto su cosa guidi questa asimmetria. Sono i lampi di vento caotici e imprevedibili che colpiscono l'oceano, o è qualcosa di incorporato nella fisica fondamentale del modo in cui l'oceano e l'atmosfera interagiscono?
Un team di ricercatori ha ora scoperchiato gli strati di questo mistero guardando il sistema attraverso una lente molto più nitida e veloce di quanto mai fatto prima. Invece di studiare l'oceano e l'atmosfera in istantanee mensili, che smorzano i rapidi e caotici cambiamenti, hanno analizzato dati giornalieri dal 1982 al 2019. Hanno costruito un modello matematico semplificato che traccia solo due variabili chiave: la temperatura della superficie del mare nel Pacifico orientale e la forza dei venti nel Pacifico centrale. Alimentando questo modello con osservazioni giornaliere del mondo reale, sono riusciti a separare le forze prevedibili e deterministiche del sistema climatico dalle scosse casuali e rumorose del tempo atmosferico. Il loro obiettivo era vedere quale di questi due ingredienti — le regole costanti del sistema o il rumore casuale — fosse responsabile della natura sbilanciata di El Niño.
I ricercatori hanno scoperto che la risposta risiede principalmente nelle regole costanti, non nel rumore casuale. Quando hanno ridotto il sistema alla sua essenza, hanno scoperto che la parte deterministica del modello — la parte che descrive come l'oceano e il vento si influenzino naturalmente l'un l'altro — conteneva già i semi dell'asimmetria. Nel loro modello a risoluzione giornaliera, la fisica del sistema favorisce naturalmente la crescita degli eventi caldi rispetto a quelli freddi. Nello specifico, il modo in cui il vento risponde all'acqua calda e il modo in cui l'acqua risponde al vento crea una situazione in cui le condizioni di vento occidentale caldo si amplificano a vicenda più efficacementamente delle loro controparti orientali fredde. Questo pregiudizio intrinseco significa che anche se i lampi di vento casuali che colpiscono l'oceano fossero perfettamente simmetrici, il sistema produrrebbe comunque eventi El Niño più forti rispetto ai La Niña. I ricercatori hanno dimostrato che questa non-linearità deterministica è il driver dominante della asimmetria, generando da sola la distribuzione sbilanciata osservata.
Questa scoperta sfida una teoria popolare che aveva guadagnato terreno in studi precedenti utilizzando dati mensili. In quei modelli più grossolani, i rapidi e caotici lampi di vento venivano spesso trattati come il principale colpevole, con gli scienziati che suggerivano che fosse la casualità dell'atmosfera stessa a rendere così estremi gli El Niño. Tuttavia, risolvendo i dati su una scala giornaliera, questo nuovo studio rivela che la "casualità" stava in realtà mascherando una verità deterministica più profonda. L'analisi giornaliera ha mostrato che l'asimmetria è codificata nella struttura stessa del sistema accoppiato oceano-atmosfera. Il rumore atmosferico casuale gioca un ruolo, ma è secondario. Agisce più come un modificatore, aumentando leggermente le probabilità degli eventi caldi più estremi e record, ma non è la ragione primaria per cui il sistema è sbilanciato in primo luogo. Il disequilibrio centrale è una caratteristica del drift deterministico, la corrente sottostante del sistema che spinge gli eventi caldi a crescere più velocemente e più fortemente.
Per confermare che questo meccanismo regga oltre il loro specifico modello, il team ha applicato le proprie scoperte a una suite di ventitré diversi modelli climatici utilizzati nelle ultime proiezioni climatiche globali. Hanno esaminato come queste complesse simulazioni al computer gestissero le interazioni giornaliere tra temperatura del mare e vento. Hanno scoperto che i modelli che producevano una distribuzione sbilanciata più realistica degli eventi El Niño erano quelli in cui lo smorzamento efficace della temperatura della superficie del mare si comportava in un modo specifico e non lineare. In altre parole, i modelli che ottenevano correttamente l'asimmetria erano quelli in cui i "freni" del sistema funzionavano diversamente a seconda che l'oceano si stesse riscaldando o raffreddando. Questa connessione suggerisce che la capacità di un modello climatico di riprodurre la lopsidedness (asimmetria) del mondo reale dipende pesantemente da quanto bene cattura queste sottili interazioni non lineari tra l'oceano e l'atmosfera.
Lo studio non pretende di aver risolto ogni aspetto di ENSO, poiché il mondo reale coinvolge molti altri fattori come le onde oceaniche e le interazioni con altri schemi climatici che non erano inclusi in questo modello minimo. Tuttavia, fornisce una spiegazione meccanicistica chiara per un enigma di lunga data. Passando da una visione mensile a una giornaliera, i ricercatori sono stati in grado di vedere che la tendenza dell'oceano a favorire il calore estremo non è un colpo di fortuna del meteo casuale, ma una proprietà fondamentale della dinamica del sistema. L'asimmetria è costruita nel motore stesso. Questa intuizione offre un nuovo modo per valutare i modelli climatici, suggerendo che, per prevedere i cambiamenti futuri nell'intensità di El Niño, gli scienziati devono concentrarsi su quanto bene i loro modelli rappresentano queste interazioni giornaliere e non lineari, piuttosto che cercare semplicemente di regolare il rumore casuale. La natura sbilanciata di El Niño non è un mistero del caos, ma una firma della logica interna del sistema stesso.
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