Multidecadal variability of the ENSO early-winter teleconnection to the North Atlantic in CMIP6 models: robustness and mechanisms

Resumo Técnico: Variabilidade Multidecadal da Teleconexão do ENSO no Início do Inverno para o Atlântico Norte em Modelos CMIP6

Problema
O El Niño-Oscilação Sul (ENSO) exerce uma influência significativa na circulação atmosférica do Atlântico Norte durante a estação do início do inverno (novembro–dezembro), projetando-se primariamente sobre o Padrão do Leste do Atlântico (EAP). Embora os sistemas de previsão sazonal operacional geralmente capturem o padrão espacial desta teleconexão, análises observacionais recentes indicaram que a força do vínculo ENSO-EAP é não estacionária, exibindo uma variabilidade multidecadal substancial. Por exemplo, observou-se que a teleconexão oscila entre correlacionar-se com a Oscilação do Atlântico Norte (NAO) e o EAP em diferentes épocas. No entanto, avaliar essa não estacionariedade usando registros observacionais é limitado pelo curto comprimento do período instrumental. Os pequenos tamanhos de amostra inerentes aos subperíodos do registro observacional dificultam a distinção estatística se as mudanças observadas na teleconexão são impulsionadas por mecanismos dinâmicos genuínos ou se são meramente artefatos da variabilidade de amostragem. Além disso, vincular essas mudanças a modos climáticos de baixa frequência, como a Oscilação Decadal do Pacífico (PDO) ou a Variabilidade Multidecadal do Atlântico (AMV), é desafiador quando o registro observacional abrange apenas um ou dois ciclos desses modos.

Metodologia
Para superar as restrições de tamanho de amostra e avaliar de forma robusta a estacionariedade da teleconexão, este estudo utiliza longas simulações de controle pré-industrial (piControl) de 10 modelos do Projeto de Intercomparação de Modelos Acoplados Fase 6 (CMIP6). Essas simulações, abrangendo mais de 700 anos com forçantes antropogênicas fixas (níveis de 1850) e forçantes naturais prescritas, fornecem um grande tamanho de amostra que permite a partição dos dados em distintos subperíodos multidecadais sem degradação estatística.

A análise emprega a seguinte estrutura metodológica:

1. Definição de Índice: O índice Niño 3.4 (N34) caracteriza a variabilidade do ENSO. O Índice do Leste do Atlântico (EA) é derivado via análise de Funções Ortogonais Empíricas (EOF) de anomalias da Pressão ao Nível do Mar (MSLP), alinhado com o padrão de reanálise ERA5.
2. Avaliação de Não Estacionariedade: O estudo calcula correlações móveis de 21 anos entre EA e N34. Para determinar se a variabilidade observada nessas correlações excede o esperado apenas pela incerteza de amostragem, é empregada uma abordagem de modelo estocástico linear (Rieke et al., 2021). Isso envolve a geração de 5.000 realizações de uma teleconexão estacionária para criar uma distribuição nula da variabilidade de correlação.
3. Classificação de Períodos: Períodos com correlações positivas estatisticamente significativas entre EA e N34 são rotulados como "POSCORR", enquanto períodos com correlações fracas são rotulados como "WEAKCORR".
4. Diagnóstico de Mecanismo: O estudo compara climatologias compostas e padrões de regressão do ENSO entre os períodos POSCORR e WEAKCORR. As principais variáveis analisadas incluem MSLP, altura geopotencial a 200 hPa (Z200), ventos a 200 hPa (u200), Radiação de Ondas Longas Saindo (OLR) como um proxy para convecção, e Temperatura da Superfície do Mar (SST). O Fluxo de Atividade de Ondas (WAF) é utilizado para diagnosticar a propagação de ondas de Rossby estacionárias.

Principais Resultados

1. Variabilidade Multidecadal Significativa: A análise revela que a teleconexão ENSO-EAP exibe uma variabilidade multidecadal substancial nos modelos CMIP6. Crucialmente, a comparação com o modelo estocástico indica que, em 5 de 10 modelos, a variabilidade das correlações móveis de 21 anos é significativamente maior do que o esperado apenas pela incerteza de amostragem. Isso apoia a hipótesa de que a teleconexão é não estacionária e impulsionada por mecanismos dinâmicos, em vez de ruído aleatório.
2. Vieses do Modelo: Embora os modelos capturem amplamente o padrão espacial da teleconexão ENSO-EAP (anomalias negativas de MSLP a oeste das Ilhas Britânicas), eles subestimam significativamente a magnitude da força da teleconexão em comparação com a reanálise ERA5. Essa subestimação é consistente com vieses conhecidos em GCMs e sistemas de previsão sazonal.
3. Mecanismos Dinâmicos: O estudo identifica três mecanismos primários que potencialmente impulsionam a variabilidade multidecadal:
   • Convecção Tropical no Oceano Índico: Em períodos POSCORR, há um dipolo relacionado ao ENSO mais forte na convecção tropical sobre o Oceano Índico (anomalias de OLR aumentadas). Isso fortalece a divergência em níveis superiores e atua como uma fonte mais potente de ondas de Rossby, particularmente aumentando o fluxo de atividade de ondas da região do Oceano Índico/Leste da Ásia para o Pacífico Norte.
   • Estado da Corrente de Jato do Pacífico Norte: Períodos POSCORR estão associados a uma mudança climatológica na corrente de jato do Pacífico Norte (u200), caracterizada por um deslocamento para o polo e elongação para o leste. Essa configuração facilita a propagação mais eficiente da energia de onda através do Pacífico Norte para a América do Norte e, subsequentemente, para o Atlântico Norte.
   • Fase da Oscilação Decadal do Pacífico (PDO): As diferenças na climatologia de SST entre os períodos POSCORR e WEAKCORR assemelham-se às fases negativa e positiva da PDO, respectivamente. O estudo encontra que a teleconexão ENSO-EAP é mais forte durante períodos que se assemelham à fase negativa da PDO (associada a um gradiente de SST extratropical meridional mais forte no Pacífico Norte) e mais fraca durante fases do tipo positivo da PDO.
4. Propagação de Ondas: A diferença nos padrões de regressão de Z200 mostra uma estrutura ondulada sobre o Leste da Ásia e o Pacífico Norte que se alinha com o dipolo de convecção do Oceano Índico. Isso sugere que mudanças na via do Oceano Índico modulam a resposta da corrente de jato e da trajetória de tempestades no Pacífico Norte, o que subsequentemente influencia os feedbacks de fluxo médio-eddy que moldam a teleconexão no Atlântico Norte.

Significância e Alegações
O artigo afirma que sua principal contribuição é fornecer um framework robusto para avaliar a não estacionariedade da teleconexão ENSO-EAP, superando as limitações de tamanho de amostra inerentes aos estudos observacionais. Ao demonstrar que a variabilidade multidecadal é provavelmente impulsionada por mecanismos dinâmicos e não por ruído de amostragem, o estudo valida as descobertas observacionais de padrões de teleconexão variáveis.

Os autores afirmam que os mecanismos identificados — especificamente a modulação da via de convecção do Oceano Índico, o estado de fundo da corrente de jato do Pacífico Norte e a fase da PDO — são drivers plausíveis dessa variabilidade. Essas descobertas aprimoram a compreensão da variabilidade sazonal e da previsibilidade no Atlântico Norte e na Europa. O estudo conclui que, embora existam vieses nos modelos, a consistência dos sinais entre diferentes modelos e seu alinhamento com estudos observacionais e de modelagem anteriores (por exemplo, quanto ao papel do Oceano Índico e da PDO) apoia a hipótesa de uma não estacionariedade significativa. Os autores observam que, embora seus resultados sejam robustos contra a variabilidade de amostragem, a agregação de modelos com distintos vieses pode enfraquecer o sinal em médias multi-modelo, sugerendo a necessidade de experimentos de sensibilidade direcionados para isolar ainda mais esses mecanismos.