Studio della dinamica del blocking attraverso una gerarchia di modelli climatici

Atmospheric blocking is a persistent disruption of the westerly progression of weather systems and often leads to prolonged temperature and precipitation extremes, such as summer heatwaves and heavy winter snowfall. Understanding the mechanisms that lead to atmospheric blocking, and accurately representing its frequency and characteristics in climate models, is crucial for assessing its future evolution under climate change. To this aim, we carried three research projects that address the study of blocking from different but complementary perspectives, reported in this Thesis in the form of research articles. In the first research article, we investigate how a state-of-the-art climate model, EC-Earth, represents atmospheric blocking. We focus on the role of stochastic parameterizations and assess whether introducing stochastic schemes can improve the climatological frequency of blocking. We find small detrimental effects of the stochastic scheme on blocking representation and link this outcome to modifications of tropical cloud water content. The second study focuses on Greenland blocking using reanalysis datasets and CMIP6 future projections. Given the observed increase in Greenland blocking in recent decades---and its important implications for continental ice melt---we examine whether this trend is driven by internal climate variability or by a forced response to global warming. We analyze Greenland blocking characteristics using a newly developed Lagrangian tracking algorithm. We find that blocking originating to the west of Greenland, which we name 'upstream blocks', are responsible for the recent blocking increase and that their internal variability is under-represented in CMIP6 models. In the third research article, we design an idealized modeling experiment to explore how blocking responds to an Arctic amplification-like forcing. We conduct simulations in both zonally symmetric and asymmetric configurations and interpret the resulting changes in blocking frequency using the emerging Traffic Jam theory of blocking onset. Blocking uniformly increases in the symmetric simulations, whereas the maximum in blocking frequency is displaced upstream under Arctic amplification in the asymmetric experiment. By providing a physically consistent explanation of these changes, our results highlight the importance of mean circulation features, such as a localized storm track, in shaping the response of blocking to external forcing. Overall, this Thesis adopts a hierarchy of modeling approaches to advance our understanding of atmospheric blocking. The results provide new insights into the mechanisms controlling blocking onset, introduce novel methodologies based on recent theoretical advancements, highlight directions for future model development, and shed light on regional and global projections of future blocking frequency.

L’atmospheric blocking è una perturbazione persistente della normale propagazione verso est dei sistemi meteorologici e spesso è associato a estremi climatici prolungati, come ondate di calore estive e intense nevicate invernali. Comprendere i meccanismi che portano alla formazione dell’atmospheric blocking, e rappresentarne correttamente la frequenza e le caratteristiche nei modelli climatici, è essenziale per valutare la sua evoluzione futura nel contesto del cambiamento climatico. A questo scopo, in questa Tesi presentiamo tre progetti di ricerca che affrontano lo studio del blocking da prospettive diverse ma complementari, sotto forma di articoli scientifici. Nel primo articolo analizziamo come un modello climatico, EC-Earth, rappresenti l’atmospheric blocking. Ci concentriamo sul ruolo delle parametrizzazioni stocastiche e valutiamo se la loro introduzione possa migliorare la frequenza climatologica del blocking. Mostriamo che le parametrizzazioni stocastiche hanno un effetto leggermente negativo sulla rappresentazione del blocking, e colleghiamo questo risultato a cambiamenti nel contenuto di acqua nelle nubi tropicali. Il secondo studio è dedicato al blocking groenlandese, utilizzando dataset di rianalisi e proiezioni future del protocollo CMIP6. Alla luce dell’aumento osservato del blocking sulla Groenlandia negli ultimi decenni, e delle sue importanti implicazioni per la fusione dei ghiacci continentali, esaminiamo se questa tendenza sia dovuta alla variabilità interna del sistema climatico o a una risposta forzata al riscaldamento globale. Analizziamo le caratteristiche del blocking groenlandese mediante un nuovo algoritmo di Lagrangian tracking da noi sviluppato. Mostriamo che i fenomeni di blocking che hanno origine a ovest della Groenlandia, definiti upstream blocks, sono responsabili dell’aumento recente della frequenza di blocking, e che la loro variabilità interna è mal rappresentata dai modelli CMIP6. Nell’ambito del terzo articolo progettiamo un esperimento numerico idealizzato per indagare la risposta del blocking a una forzante simile all’amplificazione artica. Conduciamo simulazioni in configurazioni zonalmente simmetriche e asimmetriche e interpretiamo le variazioni nella frequenza di blocking alla luce della recente teoria del Traffic Jam per la formazione del blocking. Nelle simulazioni simmetriche il blocking aumenta in modo uniforme, mentre nell’esperimento asimmetrico il massimo della frequenza di blocking si sposta verso ovest in risposta all’amplificazione artica. Questi risultati, interpretati attraverso un apparato teorico fisicamente coerente, evidenziano l’importanza delle caratteristiche della circolazione media — come una storm track localizzata — nel determinare la risposta del blocking a una forzante esterna. Nel complesso, questa Tesi adotta modelli climatici di diverso grado di complessità per approfondire la nostra comprensione dell’atmospheric blocking. I risultati forniscono nuove informazioni sui meccanismi che ne controllano la formazione, introducono metodologie innovative basate su recenti sviluppi teorici, suggeriscono direzioni future per il miglioramento dei modelli climatici e contribuiscono a chiarire le proiezioni regionali e globali della futura frequenza di atmospheric blocking.