Modelli globali e circolazione globale, il focus sulla ITCZ

La difficoltà dei Global Circulation Model (GCM) nel descrivere in modo realistico il comportamento della Zona di Convergenza Intertropicale (ITCZ)

Riassunto

Dopo una sintetica descrizione di struttura e funzioni dell’ITCZ, che è una delle più essenziali componenti del sistema climatico terrestre, l’analisi si focalizza sui risultati di uno studio basato sull’analisi dei sedimenti ricavati da 5 punti di campionamento posti lungo un transetto latitudinale nel Pacifico equatoriale centrale (CEP), collocato fra l’equatore e 7° di latitudine N alla longitudine di 158° E. Tali sedimenti contengono polveri trasportate dagli Alisei da Nordest e da Sudest e sono riferiti al periodo fra 160.000 e 105.000 anni fa, che comprende la fine della penultima glaciazione, quella di Riss. Lo studio, utilizzando le polveri come proxy della posizione dell’ITCZ, evidenzia che durante la fase fredda finale della glaciazione di Riss (stadiale di Heinrich HS11) l’ITCZ si è collocata mediamente più a sud rispetto al periodo interglaciale successivo, e che la sua posizione si è spinta ancora più a sud durante la transizione glaciale-interglaciale, per poi riportarsi su posizioni tipiche delle fasi interglaciali. A questo punto lo studio evidenzia un’interessante incongruenza fra la posizione dell’ITCZ nel Pacifico equatoriale centrale (CEP) durante la terminazione della penultima fase glaciale stimata in base alle polveri e quella, errata, simulata con GCM. Il problema non ha tuttavia solo una valenza storica in quanto la difficoltà dei modelli climatico globali nel descrivere in modo realistico il comportamento dell’ITCZ si manifesta anche per simulazioni riferite al periodo attuale ed è noto nel mondo scientifico come “problema della doppia ITCZ” nel senso che i GCM tendono a creare una seconda ITCZ poco sotto l’equatore, nell’emisfero Sud. In sintesi, dunque, una simulazione riferita a tempi relativamente remoti ci riporta ad un problema di stringente attualità che è fra i problemi più significativi e persistenti presenti nei modelli climatici globali.

Premessa

Alcuni giorni orsono, un caro amico molto sensibile al tema del trasporto interemisferico di masse d’aria e di quanto in esse è contenuto (CO2, polveri, isotopi radioattivi e quant’altro), mi ha chiesto notizie di un articolo scientifico che non riusciva più a rintracciare e nel quale si rifletteva sul trasporto interemisferico di polveri alla fine della glaciazione di Riss. In breve tempo ho rintracciato un articolo del 2019 dal titolo “The penultimate glacial termination and variability of the Pacific Intertropical Convergence Zone” a firma di un gruppo di ricercatori statunitensi afferenti all’Università della California, al Georgia Institute of Technology, alla Columbia University e alla Brown University (Reimi et al., 2019). L’amico di cui sopra, a cui ho subito inviato l’articolo, esclude che si tratti dell’articolo che lui aveva avuto sottomano tempo fa e che ricorda essere stato oggetto di commento da parte di Roy Spencer e John Christy (per inciso ho raccontato tutto ciò per appurare se qualche lettore abbia notizie da darmi in merito all’articolo che mio malgrado non stato in grado di reperire). In ogni caso, già che avevo trovato  il lavoro di Reimi et al, l’ho letto e l’ho trovato interessante al punto da convincermi a scrivere questo commento per CM che amplia l’orizzonte al cruciale tema della simulazione dell’ITCZ da parte dei GCM.

Generalità sull’ITCZ

Le figure 1a e 1b riportano la media 1959-1997 della pressione e dei venti in superficie secondo la rianalisi NCEP/NCAR per i mesi di genaio e luglio. In esse l’ITCZ è indicata con la linea rossa che identifica la zona di bassa pressione in cui convergono gli Alisei da Nordest e da Sudest, dando luogo al cosiddetto equatore meteorologico. L’ITCZ è una struttura meteorologica complessa e fondamentale per il sistema climatico globale, in quanto l’attività convettiva che la caratterizza (figura 2), che è responsabile di intense precipitazioni, mette in moto le due celle di Hadley (dell’emisfero Nord e Sud). La posizione dell’ITCZ manifesta una caratteristica ciclicità annuale, per cui a gennaio, in coincidenza con il massimo radiativo annuale dell’emisfero sud, la troviamo a sud dell’equatore geografico mentre a luglio, in coincidenza con il massimo radiativo annuale dell’emisfero Nord, la troviamo generalmente a nord dell’equatore. La posizione media annua dell’ITCZ risulta comunque a 7° circa di latitudine Nord.

Giova inoltre ricordare i seguenti elementi utili a comprendere quanto sarà discusso nel prosieguo di questo scritto:

1. Le celle di Hadley che dall’ITCZ sono alimentate di energia sono elementi chiave del sistema climatico in quanto strutture fondamentali per garantire il trasferimento energetico dalle basse alle alte latitudini e ripianare così lo squilibrio continuamente reimposto dall’ineguale ripartizione della radiazione solare sulla superficie del pianeta (massima all’equatore e minima ai poli).
2. l’ITCZ non è mai parallela alle linee latitudinali in quanto manifesta delle sinuosità ben visibili in figura 1 e che sono il frutto delle differenti caratteristiche termiche delle terre emerse e degli oceani: le terre si riscaldano e si raffreddano più velocemente degli oceani essendo dotate di minore capacità termica.
3. Le figure 1a e 1b indicano che il massimo spostamento latitudinale annuo dell’ITCZ fra gennaio e luglio ha luogo nell’areale dell’Oceano Indiano e Pacifico e cioè nella metà orientale delle due immagini 1a e 1b, ove si osservano fino a 40° di spostamento latitudinale alla longitudine dell’India (da 5°S in inverno a 35°N in estate).
4. L’ITCZ interagisce con altre strutture meteorologiche tropicali caratteristiche come il monsone (https://en.wikipedia.org/wiki/Monsoon), l’oscillazione di Madden – Julian (https://en.wikipedia.org/wiki/Madden%E2%80%93Julian_oscillation), la cella di Walker a cui si lega ENSO (https://en.wikipedia.org/wiki/Walker_circulation) e la quasi biennial oscillation QBO (https://en.wikipedia.org/wiki/Quasi-biennial_oscillation). Anche per tali ragioni i meccanismi sottesi all’instaurarsi dell’ITCZ sono tanto complessi e così sfuggenti per chi come molti di noi si occupa di meteorologia delle medie latitudini.
5. L’ITCZ e la banda precipitativa prodotta dalle gigantesche nubi convettive che la caratterizzano sono una barriera difficilmente valicabile per le masse d’aria, il che rende gli scambi interemisferici molto lenti. Una prova del fenomeno è costituita dalla rilevantissima perturbazione nei livelli di 14C presenti nella CO2 atmosferica verificatasi negli anni ’50 e ’60, quando grandi quantità di 14C artificiale furono prodotte durante i test atmosferici di armi nucleari. Tale produzione artificiale ha portato ad un aumento del rapporto 14C / C nella CO2 atmosferica dell’emisfero settentrionale di un fattore due nel 1962/63 mentre l’aumento nell’emisfero meridionale è stato ritardato di circa uno – due anni, come si evince dalla figura 3 (Levin et al., 2009).

L’ITCZ nella penultima terminazione glaciale

Durante le fasi glaciali l’atmosfera è notoriamente molto polverosa perché vaste aree del pianeta (deserti periglaciali)  sono del tutto prive di vegetazione e dunque oltremodo esposte all’erosione eolica. E’ in tali fasi infatti che si sono formati i suoli da trasporto eolico (in gergo loess) che si trovano ad esempio in Asia (Cina, Siberia, ecc.), nel sud America (pampas argentine) o nell’Europa centro-orientale. Tali suoli possono raggiungere spessori di decine o centinaia di metri il che attesta la potenza del fenomeno. Peraltro, secondo alcuni autori, un eccesso di polvere che depositandosi sul ghiaccio ne favorisce la fusione potrebbe essere un importante fattore d’innesco delle transizioni glaciale-interglaciale, le quali vedono comunque come fattore primario l’intensificata attività solare (cicli di Milankovitch).

Reimi et al (2019), utilizzando idonei metodi isotopici, hanno esaminato l’origine della polvere depositatasi fra 160.000 e 105.000 anni fa nei sedimenti marini di 5 siti afferenti all’area del Pacifico equatoriale centrale (CEP) e collocati a 158°W su un transetto posto fra 0.48°N e 7.04°N. Il periodo di tempo indagato è interessante perché include la fine della penultima fase glaciale, quella di Riss, conclusasi tra 136 e 129.000 ani fa, poi seguita da un torrido interglaciale con livelli marini che intorno a 125.000 anni orsono erano di 5-8 m superori rispetto a quelli attuali in virtù della fusione dell’intera calotta groenlandese e di parti rilevanti della calotta antartica.

Gli autori hanno evidenziato che la più rilevante deposizione di polvere nella zona CEP indagata si è avuta durante la fase fredda indicata come stadiale di Heinrich HS11, fra 135.000 e 130.000 anni fa (Rodriguaez-Sanz et al., 2017), con una deposizione massima registrata 135.000 anni fa (figura 4). Inoltre gli autori hanno calcolato la percentuale di polvere che ha avuto origine nell’emisfero settentrionale e meridionale, ponendo in luce il fatto che la frazione di polvere proveniente dal sud America è assai più rilevante di quanto si ritenesse in passato. Tale fenomeno può giustificarsi con il fatto che, durante lo stadiale HS11, l’ITCZ si sarebbe posizionata più a sud della sua posizione interglaciale e che l’ITCZ stessa si sarebbe spostata ancora più a sud durante la transizione glaciale-interglaciale, per portarsi infine in una posizione vicina a quella caratteristica dell’interglaciale (in media a circa 10°N) una volta completata la transizione.

Lo spostamento verso sud dell’ITCZ non viene tuttavia riprodotto in modo realistico dai modelli di  simulazione dinamica (GCM) che presentano uno spostamento massimo di 1° durante la penultima terminazione glaciale contro i 7° che secondo gli autori sono necessari per giustificare la distribuzione delle polveri osservata. Un modo per riconciliare il contrasto fra osservazioni e modelli consisterebbe secondo alcuni nell’ipotizzare che in realtà non si sarebbe trattato di uno spostamento verso sud dell’ITCZ ma di un indebolimento dell’ITCZ stessa, con sensibile riduzione dell’effetto barriera rispetto agli spostamenti interemisferici delle polveri. Tuttavia secondo gli autori tale ipotesi sarebbe da ritenere priva di fondamento in quanto durante la fase fredda HS11 non si riscontra la presenza di polvere proveniente dall’emisfero Nord nei siti più meridionali indagati.

Gli errori dei GCM nel descrivere l’ITCZ

Il lettore penserà che il fatto che i GCM non siano in grado di descrivere in modo realistico la posizione dell’ITCZ 135.000 anni fa sia di per sé un problema poco rilevante e da lasciare a una ristrettissima cerchia di esperti. Il guaio per noi è però che i GCM non sono in grado di descrivere in modo realistico neppure l’ITCZ del giorno d’oggi e mi riferisco con questo al problema noto nella comunità scientifica come “double-Intertropical Convergence Zone problem” che Huang e Frierson, in un loro articolo scientifico del 2013 pubblicato nei prestigiosi proceedings della National Academy of Sciences statunitense, descrivono come segue:

Il problema della doppia zona di convergenza intertropicale consiste nel fatto che i modelli danno precipitazioni eccessive ai tropici nell’emisfero meridionale creando qualcosa che somiglia da vicino a una seconda ITCZ. Si tratta del problema forse più significativo e persistente presente nei modelli climatici globali.

Il problema viene descritto nella figura 5 (Xiang et al., 2017) che nella carta globale a sinistra ci mostra l’errore medio in mm/giorno commesso da 19 modelli di CMIP5 rispetto alle misure raccolte nel dataset GPCP. Il diagramma a destra mostra invece che la sovrastima dei GCM si concentra in due specifiche fasce latitudinali (una, a circa 10°N, coincide con la vera ITCZ mentre l’altra, a circa 10° Sud, coincide con l’ITCZ “immaginata” dai GCM).

Nel loro studio Huang e Frierson (2013) si concentrano sulla fascia extratropicale per indagare le possibili cause del problema della doppia ITCZ, eseguendo un’analisi energetica globale con simulazioni storiche effettuate con una suite di modelli climatici globali posti a confronto con le osservazioni satellitari del bilancio energetico della Terra. I risultati ottenuti evidenziano che i modelli con più consistenti flussi energetici nell’atmosfera dell’emisfero australe (sia nella parte superiore dell’atmosfera sia in superficie) tendono a manifestare errori ​più rilevanti. In particolare gli autori pongono in evidenza che gli errori di simulazione della copertura nuvolosa sull’Oceano Antartico spiegano la maggior parte delle differenze fra modello e modello nella sovrastima delle precipitazioni ai tropici dell’emisfero meridionale, il che suggerisce che le nubi siano le responsabili nel problema del doppio ITCZ ​​nella maggior parte dei GCM.

In altri termini dunque l’errore indotto dall’inaccurata simulazione dei corpi nuvolosi, da sempre fra le principali bestie nere dei GCM, si propagherebbe fino a generare il problema del doppio ITCZ, il quale è ben lungi dall’essere risolto, come conferma un articolo recentissimo (Wang et al., agosto 2020) che ne segnala la presenza non solo nelle simulazioni di CMIP5 ma anche in quelle di CMIP6, i programmi di intercomparison tra modelli di circolazione globale alla base dei report IPCC.

Concludo segnalando che secondo quanto posto in luce da Tian (2015) i modelli con più bassa sensitivity come il russo CNM-IM5 (Volodin e Gritsun, 2018) sono anche quelli con errori più rilevanti nella simulazione dell’ITCZ. 

Riferimenti bibliografici

• Huang and Frierson 2013. Link between the double-Intertropical Convergence Zone problem and cloud biases over the Southern Ocean, Proceedings of the National Academy of Sciences.
• Levin etal 2009. Observations and modelling of the global distribution and long-term trend of atmospheric 14CO2, Tellus B (Accepted  October 1, 2009), doi: 10.1111/j.1600-0889.2009.00446.x https://epic.awi.de/id/eprint/20620/1/Lev2009b.pdf
• Reimi, M. A., Marcantonio, F., Lynch ‐ Stieglitz, J., Jacobel, A. W., McManus, J. F., & Winckler, G. (2019). The penultimate glacial termination and variability of the Pacific Intertropical Convergence Zone. Geophysical Research Letters, 46, 4826 – 4835. https://doi.org/10.1029/2018GL081403
• Rodriguaez-Sanz et al., 2017. Penultimate deglacial warming across the Mediterranean Sea revealed by clumped isotopes in foraminifera, Sci Rep. 2017; 7: 16572, doi: 10.1038/s41598-017-16528-6
• Tian B., 2015.  Spread of model climate sensitivity linked to double-Intertropical Convergence Zone bias, Geophys. Res. Lett., 42, 4133 – 4141, doi:10.1002/ 2015GL064119.
• Volodin E., Gritsun A., 2018. Simulation of observed climate changes in 1850–2014 with climate model INM-CM5, Earth Syst. Dynam., 9, 1235–1242, 2018, https://doi.org/10.5194/esd-9-1235-2018
• Wang C. et al 2020 Inter-model spread of the climatological annual mean Hadley circulation and its relationship with the double ITCZ bias in CMIP5, Climate Dynamics, https://doi.org/10.1007/s00382-020-05414-z
• Xiang, B., M. Zhao, I. M. Held, and J.-C. Golaz, 2017. Predicting the severity of spurious “ double ITCZ ” problem in CMIP5 coupled models from AMIP simulations, Geophys. Res. Lett., 44, 1520 – 1527, doi:10.1002/2016GL071992.