In questo studio viene messo in risalto come l’importante Oscillazione Multidecennale Atlantica (AMO) sia un ciclo di variabilità della temperatura superficiale del mare (SST) nell’Atlantico settentrionale, solitamente attribuito a dinamiche oceaniche interne e cambiamenti nel trasporto di calore. Tuttavia, recenti studi suggeriscono che le SST fluttuano principalmente a causa di eruzioni vulcaniche e cambiamenti nella circolazione atmosferica. Analizzando dati storici, rianalisi atmosferiche e dati sugli aerosol stratosferici, si è trovato che i periodi freddi nell’Atlantico settentrionale coincidono con episodi di intensa attività vulcanica (1880-1920 e 1960-1990). Le eruzioni chiave includono Krakatau (1883), Santa María (1902), Novarupta (1912), Agung (1963), El Chichón (1982) e Pinatubo (1991). Questi periodi freddi sono associati a modelli atmosferici da NAO+ causati da aerosol stratosferici e gradienti di temperatura polari, che promuovono il raffreddamento evaporativo e aumento dell’albedo. Le SST nel vortice subpolare sono influenzate dalla bassa pressione vicino all’Islanda e dall’avvezione di acqua fredda dal Mare del Labrador, contrariamente all’idea che siano guidate dalla circolazione di ribaltamento oceanica. Inoltre, il declino delle SST nel Pacifico settentrionale e globale è legato agli stessi inneschi vulcanici che influenzano l’Atlantico settentrionale.

Evidenza di una base vulcanica dell’oscillazione multidecadale atlantica

npj Climate and Atmospheric Science volume 1, Article number: 24 (2018) Cite this article

Abstract

L’Oscillazione Multidecennale Atlantica (AMO) è un modello di 60-70 anni di variabilità della temperatura superficiale del mare (SST) nell’Atlantico settentrionale comunemente attribuito alle dinamiche interne dell’oceano e ai cambiamenti nel trasporto di calore verso nord. Recenti studi di modellizzazione, tuttavia, suggeriscono che le SST fluttuano principalmente in risposta alle principali eruzioni vulcaniche e ai cambiamenti nella circolazione atmosferica. Qui, utilizziamo i dati storici SST, la rianalisi atmosferica e i dati di profondità ottica dell’aerosol stratosferico per esaminare le prove di base a sostegno di un collegamento vulcanico. Troviamo che gli intervalli freddi in tutto il Nord Atlantico coincidono con due distinti episodi di attività vulcanica esplosiva (1880-1920 e 1960-1990), dove le eruzioni chiave includono il Krakatau del 1883, Santa María del 1902, Novarupta del 1912, Agung del 1963, El Chichón del 1982 e il Pinatubo del 1991. I modelli SST freddi si sviluppano in associazione con una maggiore prevalenza di modelli atmosferici North Atlantic Oscillation (NAO)+ causati dal carico di aerosol stratosferico e da un gradiente di temperatura ripido verso i poli. I modelli NAO+ promuovono l’avvezione guidata dal vento, il raffreddamento evaporativo e l’aumento dell’albedo grazie al trasporto di polvere sahariana e agli aerosol antropogenici. Le SST attraverso il vortice subpolare sono regolate dalla forza della bassa pressione vicino all’Islanda e dall’avvezione associata guidata dal vento di acqua superficiale fredda dal Mare del Labrador. Ciò è contrario all’interpretazione secondo cui le SST subpolari sono guidate da cambiamenti nella circolazione di ribaltamento dell’oceano. Scopriamo anche che il declino medio delle SST nel Pacifico settentrionale e globale può essere facilmente associato agli stessi inneschi vulcanici che colpiscono il Nord Atlantico. Pertanto, la forzatura esterna degli aerosol vulcanici sembra essere alla base della variabilità delle SST pluridecennali osservate nei dati storici.

Introduzione

Le misurazioni storiche della temperatura superficiale del mare (SST) nell’Atlantico settentrionale rivelano un modello di variabilità di 60-70 anni, spesso descritto come oscillazione multidecennale atlantica (AMO)1,2 (Fig. 1). Un indice AMO è definito da SST medio mensile a livello di bacino (0°-70°N, 80°W-0°) detrendizzato e normalizzato per rimuovere il riscaldamento antropogenico dal segnale (Fig. 1a). I modi AMO freddi e caldi sono identificati sulla base dell’ipotesi che i cambiamenti SST siano rappresentativi del comportamento oscillatorio, anche se la registrazione dell’osservazione diretta a partire dal 1851 contiene solo due lunghezze d’onda del modello. Questi modi AMO si verificano tuttavia in concomitanza con una prevalenza di modelli atmosferici che assomigliano a fasi dell’oscillazione del Nord Atlantico (NAO)3 (Fig. 1b). Le condizioni AMO fredde sono associate a ripidi gradienti atmosferici verso i poli e ai forti venti a livello di bacino caratteristici di NAO+, mentre le condizioni AMO calde sono associate a gradienti poco profondi e venti deboli caratteristici di NAO−. Questa variabilità accoppiata atmosfera-oceano ha un’importante teleconnessione con diversi sistemi, tra cui le precipitazioni sul nord-est del Brasile e sul Sahel africano.4,5 e clima estivo sul Nord America e sull’Europa.2,6,7 La variabilità del Nord Atlantico può anche avere una forte teleconnessione atmosferica con SST e pressione a livello del mare nel Pacifico settentrionale.8,9

Figura 1
Figura 1

L’origine precisa delle fluttuazioni SST rappresentate dall’AMO rimane un argomento di dibattito.10 La maggior parte delle indagini precedenti sottolineano un ruolo importante della variabilità interna dell’oceano e dei cambiamenti nel trasporto di calore verso nord associati all’Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC).8,11,12 Si suggerisce che le iniezioni di acqua dolce nel vortice subpolare dallo scioglimento dei ghiacciai possano indebolire l’AMOC e raffreddare la regione del Nord Atlantico.ore 13,14 Altri autori hanno identificato importanti feedback e co-variabilità tra le SST del Nord Atlantico, il trasporto verso est di polvere sahariana, le piogge del Sahel e gli uragani atlantici.15,16 McCarthy et al.17 mostrano che la circolazione oceanica risponde alla forzatura atmosferica NAO nella regione tra i vortici subpolari e subtropicali, fornendo così un collegamento tra AMOC e AMO. Al contrario, Clement et al.18 respingere del tutto l’importanza dell’AMOC e mostrare dai modelli accoppiati di circolazione generale atmosfera-oceano (GCM) che l’AMO potrebbe svilupparsi come un modello di variabilità esclusivamente dalla risposta termodinamica dello strato misto oceanico alla forzatura stocastica dall’atmosfera delle medie latitudini attraverso le modulazioni della NAO. Altri studi GCM accoppiati indicano che la variabilità delle SST del Nord Atlantico si sviluppano in gran parte dalla forzatura dell’aerosol vulcanico (e in misura minore dalla variabilità solare), poiché le eruzioni esplosive si proiettano sulla NAO e suscitano la risposta dell’oceano dai cambiamenti nella circolazione atmosferica e nella distribuzione dei venti superficiali.19,20 I GCM accoppiati che incorporano robuste interazioni aerosol-nuvole mostrano anche che le emissioni di aerosol antropogenico possono avere un impatto significativo sulle SST.21 La struttura dell’aerosol vulcanico condivide una base intuitiva con gli studi che collegano l’AMO alla NAO e ad altri meccanismi legati al vento. Studi recenti utilizzano la terminologia Atlantic Multidecadal Variability (AMV) come mezzo per comprendere i meccanismi di forzatura sia interni che esterni che influenzano il clima del Nord Atlantico.21 Tuttavia, il termine “AMO” e l’ipotesi che le SST fluttuino per oscillazione interna rimangono pervasive in letteratura.

Qui, utilizziamo i dati storici SST, la rianalisi atmosferica e i dati di profondità ottica dell’aerosol stratosferico per esaminare le prove di base dell’influenza vulcanica sulla variabilità climatica del Nord Atlantico. Enfatizzando le osservazioni, il nostro approccio fornisce informazioni utili che potrebbero non essere completamente evidenti in altre indagini correlate che si basano principalmente su test di sensibilità GCM. Abbiamo scoperto che gli intervalli di freddo storici in tutto il Nord Atlantico coincidono con due episodi di grande attività vulcanica (1880-1920 e 1960-1990), dove il declino SST può essere spiegato dalla prevalenza di modelli atmosferici NAO+ che promuovono l’avvezione guidata dal vento, il raffreddamento evaporativo e l’aumento dell’albedo dal maggiore trasporto di polvere sahariana. L’influenza della circolazione atmosferica sulla SST è particolarmente evidente attraverso il vortice subpolare, dove i cambiamenti nella temperatura superficiale sono correlati ai cambiamenti nella velocità del vento sul Mare del Labrador e alla differenza di pressione tra le Azzorre e l’Islanda. Guardando più lontano, troviamo anche che le firme SST medie del Pacifico settentrionale e globale possono essere facilmente associate al forcing vulcanico, dove il marcato raffreddamento si sviluppa dopo le eruzioni esplosive del Krakatau del 1883, del Santa María del 1902 e di altri grandi vulcani. Queste osservazioni supportano l’ipotesi che la variabilità pluridecennale della SST nell’Atlantico settentrionale si sviluppi principalmente come una risposta accoppiata atmosfera-oceano alla forzatura esterna degli aerosol vulcanici.

Risultati

SST del Nord Atlantico e attività vulcanica esplosiva

L’associazione temporale tra le SST del Nord Atlantico e l’attività vulcanica esplosiva è mostrata in Fig. 2. Gli intervalli freddi coincidono con un significativo carico episodico di aerosol vulcanico nella stratosfera, mentre gli intervalli caldi coincidono con un carico di aerosol ridotto o con una stratosfera otticamente pulita. L’intervallo di freddo vulcanico (VCI) 1 inizia con la ben nota eruzione del Krakatau del 1883, si radica dopo l’eruzione del 1902 Santa María, e poi persiste attraverso le eruzioni del 1907 Ksudach e del 1912 Novarupta e per il decennio successivo. VCI-2 termina tre decenni di stratosfera pulita e calore superficiale anomalo con l’eruzione del 1963 Agung, e persiste attraverso le eruzioni del 1968 Fernandina, del 1974 Fuego, del 1982 di El Chichón e del 1991 del Pinatubo. Le condizioni calde si sviluppano in tutto il Nord Atlantico alla fine degli anni ’90, ancora una volta in coincidenza con una stratosfera otticamente pulita.

Figura 2
Figura 2

Relazioni atmosferiche e SST

Una base vulcanica per la variabilità SST del Nord Atlantico è ulteriormente dedotta esaminando le distribuzioni spaziali delle SST e le anomalie del vento che sorgono dopo le singole eruzioni. Ad esempio, la Fig. 3 mostra i modelli medi che si sono sviluppati nell’arco di tre anni dopo le eruzioni esplosive di Santa María del 1902 e del Pinatubo del 1991. Le anomalie SST fredde si trovano al di sotto dei venti occidentali e tropicali orientali delle medie latitudini intensificate in un modello tripolare associato alla circolazione NAO +. Questo schema tripolare è stato osservato anche nell’AMO (ad esempio, Fig. 1). Il raffreddamento più significativo si verifica attraverso il vortice subpolare (Fig. 3a), dove le anomalie SST possono essere spiegate dal raffreddamento evaporativo e dall’avvezione verso est di acqua fredda superficiale nella regione dal Mare del Labrador, processi entrambi guidati da un profondo basso islandese e da venti occidentali rinforzati (Fig. 3b,c). La forzatura atmosferica attraverso il vento spiega anche le anomalie SST fredde ai tropici, dove l’intensificazione dei venti orientali causa il raffreddamento evaporativo, la seca termoclinale e l’aumento dell’albedo dal trascinamento della polvere sahariana. 15,16,22,23 L’associazione a lungo termine tra la circolazione atmosferica e la SST è identificata dai grafici delle serie temporali annuali, in cui le SST subpolari co-variano con la velocità del vento di 10 m attraverso il Mare del Labrador e la differenza di pressione tra le Azzorre e l’Islanda (Fig. 4). Allo stesso modo, forti correlazioni lineari (r) tra l’indice NAO e SST e i venti di 10 metri si concentrano sotto i venti occidentali (r = da -0,5 a -0,7) e orientali (r = da -0,5 a -0,6) (Fig. 5), implicando inoltre un importante collegamento tra la forzatura del vento e la variabilità SST.

Figura 3
Figura 3
Figura 4
Figura 4
Figura 5
Figura 5

Guardando più lontano

Segnali SST simili ad AMO si trovano nel Pacifico settentrionale e nella media globale (Fig. 6). Le fluttuazioni SST del Pacifico settentrionale sono di ampiezza simile a quelle dell’Atlantico settentrionale e includono un raffreddamento pronunciato durante VCI-1 e VCI-2 (Fig. 6a). Le fluttuazioni SST medie globali hanno un’ampiezza minore, ma tuttavia imitano il segnale del Nord Atlantico attraverso VCI-1 e negli anni ’50 (Fig. 6b). Dal ~1960 in poi le SST globali aumentano costantemente. VCI-1 è ben rappresentato in tutti e tre i segnali SST – Nord Atlantico, Nord Pacifico e globo – con il raffreddamento che inizia dopo l’eruzione del Krakatau del 1883, SST che tocca il fondo tra le eruzioni del 1902 di Santa María e del 1912 di Novarupta, per poi rilassarsi in uno stato imperturbato da ~1930. VCI-2 è rappresentato nel Nord Atlantico e nel Pacifico settentrionale con il raffreddamento iniziato dopo l’eruzione del 1963 dell’Agung, le SST che hanno toccato il fondo a metà degli anni ’70, e poi il riscaldamento ma con importanti partenze fredde associate a El Chichón del 1983 e Pinatubo del 1991 (vedi anche confronti in Fig. 2). La risposta globale all’attività vulcanica esplosiva durante VCI-2 è probabilmente attenuata come conseguenza dell’aumento degli impatti radiativi antropogenici dagli anni ’60 in poi (Fig. 6c).

Figura 6
Figura 6

Disponibilità dei dati

I dati/rianalisi che supportano i risultati di questo studio sono pubblicamente disponibili online come segue: Profondità ottica dell’aerosol stratosferico e CO atmosferico2 le misurazioni sono disponibili dal GISS della NASA (http://data.giss.nasa.gov/modelforce/strataer/ e https://data.giss.nasa.gov/modelforce/ghgases/); L’indice NAO è disponibile presso il NOAA Climate Prediction Center (http://www.cpc.ncep.noaa.gov/products/precip/CWlink/pna/nao.shtml); L’indice AMO è disponibile presso il NOAA Earth Systems Research Laboratory (ESRL) (http://www.esrl.noaa.gov/psd/data/timeseries/AMO/); I dati NCEP/NCAR Reanalysis, NOAA/CIRES 20th Century Reanalysis (20CR) versione 2 e NOAA Extended Reconstruction Sea Surface Temperature (ERSST) versione 3b sono disponibili anche presso il NOAA ESRL (https://www.esrl.noaa.gov/psd/data/gridded/); Le serie temporali ponderate per area del modello d’insieme CMIP5 sono disponibili da KNMI Climate Explorer (https://climexp.knmi.nl); La maggior parte delle mappe, delle serie temporali e delle correlazioni lineari qui presentate possono essere riprodotte anche utilizzando Climate Reanalyzer (http://cci-reanalyzer.org), un framework di visualizzazione dei dati sviluppato dall’autore principale Birkel per il Climate Change Institute dell’Università del Maine.

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Riconoscimenti

L’autore principale S.D.B. ha ricevuto il sostegno per questo lavoro dalla National Science Foundation (Award #1417640) e dall’International Center for Tropical Agriculture. Ringraziamo il Dr. Alan Robock e due revisori anonimi per l’utile critica che ha migliorato questo manoscritto. Questo lavoro ha utilizzato il supporto di calcolo ad alte prestazioni di Yellowstone/Geyser (ark:/85065/d7wd3xhc) fornito dal Computational and Information Systems Laboratory del NCAR, sponsorizzato dalla National Science Foundation.

Fonte : Nature