2.3.1 Vortex structure prior to stratospheric sudden warmings

2.3 Risultati

2.3.1 Struttura del Vortice Prima dei Riscaldamenti Stratosferici Improvvisi

La Figura 2.2 presenta il campo del Vortice Potenziale (PV) ponderato in verticale, come funzione della latitudine equivalente e della temperatura potenziale, nove giorni prima dell’inizio del SSW. L’obiettivo è di illustrare la struttura iniziale del vortice polare prima che si verifichi il SSW. Questo è mostrato sia in un senso medio, come evidenziato nelle composizioni di scissione e spostamento nelle Figure 2.2 a e 2.2 b, sia per gli eventi specifici di gennaio 1987 e febbraio 1979 nelle Figure 2.2 c e 2.2 d. Scegliere la latitudine equivalente e la temperatura potenziale come coordinate ha il vantaggio di rendere la distribuzione del PV relativamente insensibile alle condizioni sinottiche specifiche, rendendo i risultati largamente indipendenti dagli spostamenti o distorsioni del vortice polare. Gli eventi di gennaio 1987 e febbraio 1979 sono stati scelti come casi di studio perché rappresentano esempi tipici dei SSW di tipo di spostamento e scissione, rispettivamente.

L’evento di febbraio 1979, in particolare, è stato ampiamente studiato, sebbene non principalmente dal punto di vista della dinamica del vortice. Anche gli aspetti del SSW di gennaio 1987 sono stati analizzati.

In ogni pannello, il vortice polare è chiaramente visibile come una regione di elevato PV alle alte latitudini. Il contorno nero spesso mostra il bordo del vortice, con le croci nere nelle Figure 2.2 c e 2.2 d che indicano le latitudini equivalenti dei massimi locali nel gradiente di PV. In ogni caso, il bordo del vortice corrisponde bene alle latitudini equivalenti dei massimi del gradiente di PV su un ampio intervallo di altitudini. La regione di PV elevato associata al vortice si trova principalmente tra le superfici di temperatura costante di 400 K e 1600 K, giustificando la scelta di questi livelli come confini superiori e inferiori per i nostri grafici tridimensionali.

Il vortice, osservato in questo contesto, presenta una struttura caratteristica che è distinta a seconda del tipo di SSW in arrivo? Per rispondere a questa domanda in modo esaustivo sarebbe necessario uno studio statistico dettagliato, che va oltre lo scopo di questo lavoro. Tuttavia, dalle analisi emerge che, in generale, il vortice è leggermente più forte prima dei SSW di scissione rispetto a quelli di spostamento. Ciò nonostante, esiste una notevole variabilità tra gli eventi individuali nella struttura del vortice pre-riscaldamento, in particolare nella pendenza del bordo del vortice e nella forza del vortice in funzione dell’altezza. I vortici di febbraio 1979 e gennaio 1987 presentano alcune caratteristiche distintive. In particolare, nel febbraio 1979, il bordo del vortice polare inclina significativamente verso il polo con l’aumento dell’altitudine, dandogli una forma conica distintiva. Il vortice di febbraio 1979 rimane ben definito anche a bassa quota, mentre quello di gennaio 1987 è meno definito al di sotto dei 20 km.

La questione di come la struttura precedente del vortice influenzi l’evoluzione successiva del vortice polare durante il SSW sarà oggetto di ulteriori indagini.

La Figura 2.2 rappresenta quattro diverse mappe che mostrano come si comporta una particolare grandezza atmosferica, chiamata vorticità potenziale, in diverse situazioni legate ai cambiamenti rapidi della temperatura nella stratosfera, che sono conosciuti come riscaldamenti stratosferici improvvisi (SSW).

• (a) Split Composite: Questo grafico mostra come si presenta in media la vorticità potenziale quando il vortice al polo si divide in due o più parti, nove giorni prima di un SSW. I contorni (le linee curve) indicano zone con lo stesso valore di vorticità. Più le linee sono dense, più forte è la vorticità in quella zona. La linea più spessa e nera indica il confine del vortice polare, una sorta di frontiera tra l’area con vorticità elevata e le zone circostanti.
• (b) February 1979: Questo grafico è un’istantanea specifica di come si presentava la vorticità potenziale il 12 febbraio 1979, che era nove giorni prima di un SSW noto. Anche qui le linee mostrano zone con la stessa vorticità, e le croci nere individuano i punti dove questa grandezza cambia più rapidamente, che sono importanti per capire dove il vortice è più intenso.
• (c) Displacement Composite: Simile al grafico (a), ma questa volta mostra la situazione media per quando il vortice al polo si sposta dalla sua posizione usuale, anche qui nove giorni prima di un SSW. I contorni seguono la stessa logica del grafico (a).
• (d) January 1987: Questa mappa è una vista specifica per il gennaio 1987, analogamente a (b), e mostra la vorticità potenziale per quella data e situazione specifica.

In termini semplici, queste mappe sono come fotografie che aiutano i meteorologi e i climatologi a capire come si sta comportando il vortice polare prima di un SSW, che può influenzare il clima a latitudini più basse. Le zone più scure e con linee più fitte indicano dove il vortice è più forte, mentre le zone più chiare con linee meno fitte indicano dove è più debole. Conoscere il comportamento del vortice aiuta a prevedere possibili cambiamenti nel clima e a comprendere meglio i meccanismi che governano la nostra atmosfera.

2.3.2 Riscaldamenti stratosferici improvvisi con divisione del vortice

La figura mostra come cambia nel tempo la massa d’aria che costituisce il vortice polare artico durante gli eventi di riscaldamento stratosferico che portano alla divisione del vortice. Per ‘vortice polare’ intendiamo qui l’area definita da una certa misura di movimento dell’aria che rimane costante tra due livelli di temperatura nell’atmosfera. I pannelli a sinistra della figura illustrano come si evolve questo vortice durante un evento di riscaldamento tipico, mentre i pannelli a destra mostrano l’evento specifico di febbraio 1979. Le immagini rappresentano il vortice in diversi momenti: nove giorni prima dell’evento, due giorni prima, il giorno stesso e cinque giorni dopo, per mostrare come si comporta il vortice prima e durante l’evento.

Per confronto, un’altra figura mostra forme ellittiche che rappresentano il vortice a diversi livelli di temperatura nell’atmosfera e nei medesimi momenti temporali. Va notato che queste ellissi non sono rappresentate nelle loro dimensioni reali per facilitarne la visualizzazione.

Dalle figure si osserva che l’evento tipico di riscaldamento e quello specifico di febbraio 1979 hanno molte caratteristiche in comune. Nove giorni prima dell’evento, quando il contorno del vortice a un certo livello di temperatura si divide, il vortice medio ha una forma quasi circolare a tutti i livelli. La posizione centrale del vortice si trova leggermente più a nord e a est rispetto ai valori medi invernali.

Avvicinandosi all’evento di riscaldamento, il vortice comincia ad allungarsi e, per entrambi gli eventi studiati, il suo asse maggiore ruota in direzione ciclonica. Nel caso dell’evento di febbraio 1979, questo movimento di rotazione è di circa 60 gradi in sette giorni. Due giorni prima dell’evento, la rotazione rallenta e il vortice si allunga rapidamente lungo un asse che si estende da est a ovest. A questo punto, sia il vortice medio che quello di febbraio 1979 si restringono e iniziano a dividersi in due centri distinti su entrambi i lati del centro originale.

Il giorno dell’evento, il vortice polare è completamente diviso e si sono formati due nuovi vortici. Questi sono situati a circa 4500 km di distanza l’uno dall’altro, uno sopra la Baia di Hudson nel Canada nord-orientale e l’altro in Siberia. Inizialmente, questi nuovi vortici hanno una struttura piuttosto uniforme in verticale, anche se tendono leggermente verso ovest con l’aumentare dell’altezza. Man mano che l’evento di riscaldamento procede, i due vortici cominciano a ruotare in direzione opposta rispetto al loro movimento precedente. La velocità di questa rotazione varia considerevolmente con l’altitudine, essendo più intensa più in alto nella stratosfera.

la Figura 2.3 mostra una serie di immagini tridimensionali che illustrano come si trasforma il vortice polare artico durante un particolare tipo di riscaldamento stratosferico noto come “SSW con divisione del vortice”. Nella figura ci sono due colonne di immagini: la colonna di sinistra mostra un modello generale basato su diversi eventi di SSW, mentre la colonna di destra mostra l’evento specifico del febbraio 1979.

Ogni riga di immagini corrisponde a un diverso momento temporale intorno all’evento di SSW:

• τ = -9 giorni: Questo è lo stato del vortice nove giorni prima del riscaldamento stratosferico improvviso. In entrambe le colonne, il vortice sembra una struttura unica e compatta che si erge sopra il polo.
• τ = -2 giorni: Due giorni prima dell’evento di SSW, il vortice inizia a deformarsi. Inizia ad allungarsi e si possono intravedere i segni che porteranno alla divisione del vortice.
• τ = 0 giorni: Il giorno dell’inizio dell’SSW, il vortice è ora diviso in due distinti “vortici figli”, che si possono vedere come due masse separate.
• τ = +5 giorni: Cinque giorni dopo l’inizio dell’SSW, la separazione è completa e i due vortici figli sono chiaramente distinti e si sono allontanati tra loro.

Le immagini rappresentano la vorticità potenziale (PV), che è una misura di quanto l’aria è “vorticosa” o rotante. Un valore più alto di PV indica un’area dove l’aria sta ruotando più velocemente, che è tipico del vortice polare. La superficie tridimensionale che vediamo in ogni immagine è il luogo dove il valore di PV è costante e uguale al valore definito per il bordo del vortice. La colonna di sinistra utilizza un valore di 38 PVU (Unità di Vorticità Potenziale) per definire questo bordo, mentre la colonna di destra per l’evento del febbraio 1979 usa un valore di 27.5 PVU.

Questa figura aiuta a visualizzare la dinamica complessa del vortice polare durante un evento di SSW, un fenomeno importante per comprendere i cambiamenti del clima e le variazioni meteorologiche a latitudini medio-alte.

La Figura 2.4 mostra una serie di ellissi bidimensionali che rappresentano la proiezione in pianta del vortice polare a quattro diversi livelli di temperatura nell’atmosfera (505 K, 715 K, 1010 K e 1425 K) a momenti specifici prima e durante un riscaldamento stratosferico improvviso (SSW). Questi livelli di temperatura, noti come livelli isentropici, sono superfici su cui l’aria ha la stessa entropia o, in termini più semplici, lo stesso potenziale termico.

Le due colonne di immagini corrispondono a due diversi scenari di SSW:

• Le ellissi nella colonna di sinistra (“Composite”) sono medie basate su molteplici osservazioni di eventi di SSW che portano alla divisione del vortice polare.
• Le ellissi nella colonna di destra mostrano l’evoluzione del vortice durante l’SSW specifico di febbraio 1979.

Ogni fila di ellissi corrisponde a un diverso momento temporale relativo all’inizio dell’SSW, indicato da τ:

• τ = -9 giorni: Questo è lo stato del vortice nove giorni prima dell’inizio dell’SSW. Le ellissi sono relativamente circolari, il che indica che il vortice è intatto e uniforme in termini di movimento rotatorio.
• τ = -2 giorni: Due giorni prima dell’evento di SSW, le ellissi diventano più allungate, segnalando che il vortice inizia a distendersi e a prepararsi alla divisione.
• τ = 0 giorni: Il giorno dell’evento, le ellissi mostrano che il vortice si è diviso in due parti, come evidenziato dalla presenza di due strutture ellittiche separate.
• τ = +5 giorni: Cinque giorni dopo l’inizio dell’SSW, le ellissi indicano che la divisione del vortice è completa e che i due vortici risultanti sono chiaramente distinti e separati.

Le ellissi sono ridimensionate rispetto alla loro area reale per facilitarne la visualizzazione nelle immagini: quelle nella colonna di sinistra sono ridotte al 60% della loro area effettiva, mentre quelle nella colonna di destra al 30%. Questo ridimensionamento è necessario per evitare che le ellissi occupino troppo spazio visivo nelle immagini.

In sostanza, le ellissi fungono da indicatori bidimensionali dell’estensione e della forma del vortice polare in altitudine durante fasi critiche di un evento di SSW. Ciò fornisce una visione semplificata ma efficace delle dinamiche del vortice polare, che sono essenziali per la comprensione degli impatti dei SSW sul clima globale.

La rotazione differenziale porta inevitabilmente alla disintegrazione di almeno uno dei vortici. Sia nell’analisi composita che per l’evento specifico di febbraio 1979, emerge chiaramente che il vortice dominante è quello situato sopra la Siberia. Cinque giorni dopo l’inizio dell’evento (indicato con τ = 5 giorni), il vortice canadese non è più osservabile nella Figura 2.3, eccetto che ai livelli più alti. Diversamente dai momenti precedenti, tuttavia, i dettagli a questa fase variano significativamente tra gli eventi individuali. Di conseguenza, l’analisi composita in tempi successivi non rappresenta più una guida affidabile per il comportamento ‘tipico’.

L’aspetto più sorprendente delle Figure 2.3 e 2.4 sono le somiglianze tra gli SSW compositi e quello di febbraio 1979. La media dei dati osservazionali può facilmente nascondere dettagli importanti. Tuttavia, queste figure mostrano che:

• Il vortice composito passa attraverso una divisione simile a quella degli eventi individuali, senza alcuna manipolazione dei dati a parte la trasformazione della vorticità potenziale descritta precedentemente. Ciò accade perché gli SSW che portano alla divisione del vortice tendono a verificarsi nella stessa orientazione rispetto alla superficie della Terra. A un dato ritardo temporale τ, il vortice o i vortici hanno un’orientazione fissa caratteristica rispetto alla superficie terrestre, e questa orientazione evolve sistematicamente durante il ciclo di vita dell’SSW.
• Il vortice composito segue un ‘ciclo di vita’ che prevede un allungamento e una rotazione ciclonica, seguiti dalla divisione e poi dalla rotazione retrograda dei due vortici risultanti attorno alla loro posizione media.
• Durante l’SSW composito, l’allungamento del vortice e la sua divisione avvengono quasi simultaneamente a tutte le altitudini, e entrambi i vortici rimangono coerenti per diversi giorni.
• Per entrambi, il composito e l’evento di febbraio 1979, è il vortice ‘figlio’ siberiano che prevale. Alcuni giorni dopo l’inizio dell’SSW, il vortice canadese è disteso e non è più riconoscibile ai livelli superiori (oltre 1010 K).

Nonostante le somiglianze dettagliate sopra, rimangono alcune differenze notevoli tra il composito e l’SSW di febbraio 1979. Primo, la coppia di vortici risultante dalla divisione del vortice di febbraio 1979 ha un’area trasversale significativamente più grande rispetto a quella del composito. Questo è dovuto al fatto che i vortici compositi sono più piccoli perché rappresentano una media di una serie di vortici con posizioni leggermente differenti. Inoltre, il vortice di febbraio 1979 si estende più in basso nella stratosfera, come già discusso in relazione alla Figura 2.2 b. Infatti, c’è una considerevole variabilità nella struttura del vortice ai livelli più bassi tra gli SSW. Infine, il vortice prima dell’SSW di febbraio 1979 è sostanzialmente più allungato e il suo asse maggiore ruota ciclonicamente molto più rapidamente prima del riscaldamento (ruotando di 60° rispetto ai 10° del composito).

La Figura 2.5 fornisce un’analisi dell’evoluzione nel tempo e nella temperatura potenziale (che è strettamente correlata all’altitudine in meteorologia) del parametro di eccesso di curtosi (κ4). La curtosi è un parametro statistico che misura quanto le code di una distribuzione si discostano da quelle di una distribuzione normale (gaussiana). In questo contesto specifico, una curtosi elevata può indicare la presenza di strutture aerea più ‘spiccate’ o estreme all’interno del vortice, mentre una curtosi ridotta può indicare una distribuzione più uniforme e meno estrema.

• Pannello Superiore (A – Composite): Questo pannello mostra la media di eventi di SSW e come il parametro di eccesso di curtosi cambia nel tempo attraverso diverse altitudini/atmosfere. I contorni indicano livelli di curtosi, e l’ombreggiatura varia per indicare valori negativi. Le zone leggermente ombreggiate indicano valori di curtosi leggermente negativi, mentre le zone più scure indicano valori ancora più negativi (inferiori a -0.1). Il fatto che ci siano aree con eccesso di curtosi negativo suggerisce che ci sono momenti e altitudini durante l’SSW in cui la distribuzione della grandezza osservata è più appiattita rispetto a una normale distribuzione di vorticità.
• Pannello Inferiore (B – February 1979): Questo pannello mostra l’eccesso di curtosi per l’evento specifico di SSW di febbraio 1979. Anche qui, l’ombreggiatura riflette valori negativi di curtosi, con la stessa scala di ombreggiatura del pannello superiore.

Entrambi i pannelli tracciano l’evoluzione dall’inizio dell’SSW (τ = 0 giorni) attraverso un periodo di tempo che include giorni prima (valori negativi di τ) e dopo (valori positivi di τ) l’evento. L’asse verticale di entrambi i pannelli mostra la temperatura potenziale, che funziona come una proxy per l’altitudine: valori più alti corrispondono a strati superiori dell’atmosfera.

Questi pannelli aiutano i meteorologi a capire non solo come si evolve il vortice nel tempo ma anche come la sua struttura verticale cambia durante un SSW, fornendo indizi sulle dinamiche interne del vortice e sulla possibile instabilità o variazioni nella struttura dell’atmosfera che possono influenzare il clima a livello globale.

La scissione quasi simultanea del vortice a tutte le quote può essere ulteriormente messa in evidenza esaminando l’evoluzione del parametro di scissione del vortice, noto come ‘eccesso di curtosi’, κ4, durante gli eventi SSW compositi e quello di febbraio 1979. La Figura 2.5 mostra un grafico a contorni di κ4 in funzione dell’altitudine e del tempo trascorso τ per ciascun caso. Le aree scure indicano dove κ4 è inferiore a -0.1, ovvero dove si è diagnosticata una scissione del vortice. In ogni caso, dalla Figura 2.5 è evidente che la scissione avviene quasi simultaneamente su un ampio intervallo di quote, con il criterio di scissione κ4 < -0.1 ampiamente soddisfatto da τ = -1 giorno.

Un aspetto inaspettato dell’evento di febbraio 1979 è l’elevato valore di κ4 nell’intervallo di quote da 600 a 750 K durante tutto il periodo dell’SSW. Questi valori elevati possono essere spiegati dalla grande differenza nella grandezza dei ‘vortici figli’ a questi livelli, con il vortice siberiano circa tre volte più grande in grandezza rispetto a quello canadese. Se l’asimmetria tra i vortici è abbastanza grande, il parametro di eccesso di curtosi non segnala che si è verificata una scissione. In sintesi, il parametro κ4 funge da una definizione utile e oggettiva per l’inizio di una scissione del vortice, sebbene sia necessario interpretarlo con attenzione.

Per fornire un’idea della variabilità tra gli eventi, la Figura 2.6 mostra le ellissi equivalenti per tutti i 13 eventi di scissione, oltre al composito (ellisse nera piena) sulla superficie isentropica di 600 K. Come per la Figura 2.4, per enfatizzare le differenze tra gli eventi, le ellissi equivalenti sono rappresentate più piccole rispetto alla dimensione reale del vortice. Per agevolare il confronto con la Figura 2.4, anche l’evento di febbraio 1979 è evidenziato nella Figura 2.6 con un’ellisse piena di colore blu. La Figura 2.6 mostra perché il metodo composito è stato efficace nel descrivere un SSW di scissione ‘tipico’: 9 dei 13 eventi seguono abbastanza da vicino la sequenza di rotazione, allungamento e scissione descritta per gli eventi compositi/di febbraio 1979.

Quattro eventi si distinguono per comportamenti leggermente diversi. Questi sono gli SSW di gennaio 1977 (ellisse blu spessa), dicembre 1987 (ciano), marzo 1988 (giallo) e febbraio 1999 (rosso). L’evento di gennaio 1977 è particolare tra i quattro, perché la scissione del vortice avviene in una direzione parallela al grande cerchio da 160°W a 20°E. È da notare che non viene identificato come un SSW dall’algoritmo CP07 quando si utilizzano i dati di reanalisi NCEP al posto di ERA-40. Per i restanti tre eventi, la scissione avviene approssimativamente parallela al grande cerchio da 20°W a 160°E. Un esame più approfondito di questi tre eventi ‘anomali’ rivela una significativa struttura verticale dei vortici figli rispetto alla scissione ‘barotropica’ composita dell’SSW. In particolare, il vortice europeo presenta una struttura e posizione baroclinica che ricorda quella del vortice durante gli SSW di spostamento, che verranno descritti successivamente.

Anche se non analizzato in dettaglio qui, un’ulteriore indagine su queste caratteristiche ibride potrebbe aiutare a determinare quale comportamento degli SSW è predominante durante gli eventi di riscaldamento che presentano condizioni favorevoli per entrambi i tipi di SSW.

La Figura 2.6 mostra un confronto visivo tra le ellissi equivalenti di 13 eventi di riscaldamento stratosferico improvviso (SSW) che hanno comportato la scissione del vortice polare. Queste ellissi sono state calcolate per il livello di temperatura potenziale di 600 K, che è una superficie di riferimento nella stratosfera per tali studi. La temperatura potenziale è usata in meteorologia come una misura dell’altitudine poiché tiene conto delle variazioni della pressione atmosferica.

Ogni ellisse rappresenta la proiezione orizzontale del vortice polare e il suo grado di scissione a momenti specifici durante l’evento SSW:

• τ = -9 giorni: rappresenta la situazione 9 giorni prima dell’SSW.
• τ = -2 giorni: 2 giorni prima dell’SSW.
• τ = 0 giorni: il giorno stesso dell’SSW.
• τ = +5 giorni: 5 giorni dopo l’SSW.

Le ellissi piene nere sono gli eventi di SSW non specificati, mentre le ellissi colorate rappresentano eventi specifici che sono stati discussi nel testo accompagnatorio:

• Ellisse piena nera (composita): rappresenta una media di tutti gli eventi di SSW.
• Ellisse piena blu: rappresenta l’evento SSW specifico di febbraio 1979.
• Ellissi colorate non piene: rappresentano eventi di SSW specifici che hanno mostrato comportamenti lievemente diversi dai modelli tipici. Questi includono gli eventi di gennaio 1977 (blu), dicembre 1987 (ciano), marzo 1988 (giallo) e febbraio 1999 (rosso).

Le ellissi sono state ridimensionate a 0,3 volte la loro area effettiva per enfatizzare le differenze tra gli eventi, seguendo la stessa convenzione di ridimensionamento usata nella Figura 2.4.

La Figura 2.6 evidenzia che la maggior parte degli eventi segue un modello simile a quello composito, con una sequenza di rotazione, allungamento e scissione. Tuttavia, i quattro eventi colorati divergono da questo schema e mostrano comportamenti distinti, suggerendo che ogni SSW ha le sue unicità. Ad esempio, l’evento di gennaio 1977 si distingue per la direzione della scissione del vortice, che non segue il modello osservato nella maggior parte degli altri eventi.

Questa figura è uno strumento utile per i meteorologi e i climatologi per valutare la variabilità tra diversi eventi di SSW e per identificare modelli tipici o atipici nel comportamento del vortice polare.

2.3.3 Riscaldamenti Stratosferici Improvvisi dovuti allo Spostamento del Vortice

La dinamica del vortice polare artico durante i casi di studio sia del riscaldamento stratosferico improvviso (SSW) composito che quello specifico di gennaio 1987 è illustrata nelle Figure 2.7 e 2.8. Queste figure mostrano l’evoluzione temporale del vortice rispetto al momento di inizio del SSW, definito alle 00:00 UTC del 23 gennaio 1987, seguendo lo studio CP07, con intervalli temporali di τ = -10, -1, 1 e 4 giorni.

La Figura 2.7 rappresenta la superficie isosuperficiale tridimensionale, mentre la Figura 2.8 visualizza le ellissi rappresentative del vortice polare su diverse superfici isentropiche che vanno da 450 a 1510 K. Entrambi i tipi di SSW, composito e quello di gennaio 1987, mostrano molte caratteristiche comuni.

Dieci giorni prima dell’inizio del SSW (τ=-10 giorni), i vortici sia nel caso composito che in quello di gennaio 1987 hanno una sezione trasversale quasi circolare nella stratosfera inferiore. Nel caso del vortice composito, il centro si inclina verso ovest e verso l’equatore con l’aumentare dell’altitudine, spaziando tra (70°E, 77.5°N a 450 K) e (15°E, 72°N a 1425 K). Questo indica che prima di un SSW di tipo spostamento, il vortice si trova significativamente più a sud rispetto a un SSW di tipo divisione, con una maggiore inclinazione in altitudine.

Inoltre, il vortice è spostato più lontano dal polo rispetto allo spostamento climatologico medio di 10-14°, suggerendo che potrebbe essere già in una fase di ‘pre-condizionamento’ prima di un SSW di spostamento. A livelli superiori, sia i vortici compositi che quelli di gennaio 1987 appaiono più ellittici, con l’asse maggiore dell’ellisse allineato approssimativamente con la direzione dell’inclinazione verso ovest lungo la fascia di latitudine 70-80°N.

Avvicinandosi al momento di inizio del SSW, l’inclinazione verso ovest del vortice aumenta con l’altitudine e l’intero vortice si sposta verso l’equatore. A τ = -1 giorno, il centro del vortice composito si trova tra le latitudini 67-74°N. Il vortice inferiore si muove lentamente verso est mentre quello superiore si sposta rapidamente verso ovest, risultando in una separazione longitudinale di 135° tra i centri del vortice a 450 K e 1425 K.

Con il progredire del SSW, la posizione del centro del vortice composito varia da (95°E, 75°N a 450 K) a (53°O, 68°N a 1425 K), coprendo quasi metà del globo in longitudine. Durante questo periodo, il vortice superiore viene disteso dal flusso su larga scala, assumendo una sezione trasversale a forma di mezzaluna a τ=1 giorno.

Nel corso dei giorni successivi, la deformazione del vortice superiore continua fino a quando esso viene assottigliato e disperso nel contesto circostante. A τ=4 giorni, il processo di media usato per creare il composito diffonde il vortice superiore su una vasta area, risultando nella completa assenza del vortice superiore nella rappresentazione tridimensionale a τ=4 giorni. Nell’evento di gennaio 1987, le parti superiore e inferiore del vortice risultano largamente disconnesse. In questa fase, il ciclo di vita del SSW di spostamento è essenzialmente concluso. I resti del vortice nella stratosfera inferiore sono localizzati più a sud e a est rispetto alla posizione iniziale del vortice (a τ = -10 giorni). Questo ciclo di vita tipico, osservato nel vortice composito, è in linea con i SSW individuali discussi in Manney et al. (1999), Manney et al. (2005b), e nei riferimenti lì citati.

A parte piccole differenze nei dettagli di orientamento e tempistica del vortice, sono poche le differenze evidenti tra il SSW di gennaio 1987 e il composito nelle Figure 2.7 e 2.8. L’evento di gennaio 1987 si è rivelato essere leggermente più intenso del normale (Manney et al. 2005b), poiché il vortice a livelli medi (850 K) è spostato fino a 55°N, in confronto ai 67°N nel composito.

Un’idea della variabilità tra tutti i 15 eventi di SSW di spostamento è fornita nella Figura 2.9. In questa figura, i centroidi del vortice a 450 K, 850 K e 1425 K sono tracciati per ogni evento ai tempi τ = -10, -1, 1 e 4 giorni. Le linee che collegano questi punti intersecano i centroidi del vortice ai livelli intermedi. Si rivela un quadro sorprendentemente consistente per tutti i SSW, con i centroidi piuttosto concentrati a tutti i livelli sia nelle fasi iniziali sia durante lo sviluppo del SSW. Le differenze nella tempistica e nella struttura verticale causano la maggiore variabilità nella posizione del centroide al livello medio del vortice (850 K). In alcuni eventi, il centroide a 850 K rimane vicino a quello del vortice inferiore (450 K) durante l’inizio del SSW, mentre in altri eventi segue il vortice superiore (1425 K) che si sposta rapidamente verso ovest e verso l’equatore. A τ = 4 giorni, anche i centroidi del vortice superiore (1425 K) mostrano una notevole dispersione, il che è coerente con la mancanza di coesione del vortice superiore in questo periodo, dovuto agli effetti del flusso di deformazione che assottiglia e mescola il vortice nell’ambiente circostante ai livelli superiori. Tuttavia, nel complesso, la Figura 2.9 rivela un notevole grado di somiglianza tra tutti gli eventi di SSW di spostamento.

La figura confronta due eventi distinti di riscaldamento stratosferico improvviso (SSW), uno è un caso composito (pannelli a sinistra) e l’altro è l’evento reale avvenuto nel gennaio 1987 (pannelli a destra). Ogni riga di pannelli mostra lo stato del vortice polare in momenti differenti rispetto al tempo di inizio dell’SSW, indicato con τ, dove τ è il numero di giorni prima o dopo l’inizio dell’SSW.

• Prima riga (τ = -10 giorni): Mostra il vortice polare 10 giorni prima dell’inizio dell’SSW. Sia nel caso composito che nell’evento di gennaio 1987, il vortice appare relativamente rotondo e compatto, indicando un vortice ben formato e poco disturbato.
• Seconda riga (τ = -1 giorno): Mostra i vortici il giorno prima dell’SSW. In entrambi i casi, il vortice comincia a mostrare segni di deformazione. Tuttavia, nel caso di gennaio 1987, il vortice appare notevolmente distorto, suggerendo un evento più dinamico o violento rispetto al composito.
• Terza riga (τ = 1 giorno): Rappresenta il vortice un giorno dopo l’inizio dell’SSW. Qui, si osservano cambiamenti significativi. Nel composito, il vortice si è spostato e distorto ma mantiene una certa coerenza strutturale. Nel caso di gennaio 1987, il vortice è molto più frammentato e disperso, suggerendo un SSW più intenso che ha profondamente influenzato la struttura del vortice.
• Quarta riga (τ = 4 giorni): Mostra la situazione 4 giorni dopo l’inizio dell’SSW. Nel caso composito, il vortice è diventato più diffuso e meno definito, mentre nell’evento di gennaio 1987 il vortice superiore non è più distinguibile, indicando che è stato completamente assorbito e disperso nel flusso atmosferico circostante.

Queste osservazioni visive sono utili per comprendere il processo e l’evoluzione di un SSW, specialmente in termini di come il vortice polare viene influenzato e alterato durante tali eventi. La differenza significativa tra i due casi indica anche la varietà di comportamenti che un SSW può presentare e l’impatto che può avere sulla circolazione atmosferica generale.

La Figura 2.8 mostra una serie di pannelli che rappresentano gli “ellissi equivalenti” del vortice polare in due differenti eventi di SSW, uno composito e uno specifico del gennaio 1987. Gli ellissi equivalenti sono una rappresentazione bidimensionale che cerca di modellare l’estensione e la deformazione del vortice polare.

Per ogni serie di pannelli (composito a sinistra e gennaio 1987 a destra), sono rappresentati quattro momenti distinti (τ = -10, -1, 1, 4 giorni) rispetto al tempo di inizio definito dell’SSW. Questi momenti sono scelti per illustrare le condizioni prima, durante e dopo l’inizio dell’evento di riscaldamento.

Gli ellissi sono tracciati su otto livelli isentropici, che vanno da 450 K (basso nella stratosfera) a 1510 K (alto nella stratosfera), e sono disegnati in scala ridotta per rendere l’immagine più leggibile (0.2 volte l’area reale per i pannelli a sinistra e 0.1 volte per quelli a destra).

Ecco un’analisi dettagliata per ogni tempo di ritardo τ:

• τ = -10 giorni: Il vortice è ancora relativamente circolare e ben definito a tutti i livelli, indicando una struttura coerente e compatta del vortice prima dell’inizio dell’SSW.
• τ = -1 giorno: Le deformazioni diventano più evidenti, soprattutto nel caso del gennaio 1987, dove l’ellisse mostra un’estensione maggiore, suggerendo una deformazione significativa del vortice in risposta ai cambiamenti dinamici nell’atmosfera.
• τ = 1 giorno: A un giorno dall’inizio dell’SSW, si osserva un’ulteriore deformazione dell’ellisse, con un’estensione che indica un forte spostamento del vortice.
• τ = 4 giorni: A quattro giorni dall’inizio, l’ellisse nel caso del gennaio 1987 mostra un allungamento e una distorsione notevoli, segnale che il vortice ha subito un processo significativo di deformazione e possibile disconnessione nelle sue parti superiori e inferiori.

In generale, questa figura illustra come il vortice polare possa essere deformato e spostato da un SSW, con variazioni significative nella sua geometria che possono influenzare i modelli meteorologici e climatici. Le differenze tra i pannelli del caso composito e quelli del gennaio 1987 indicano che l’evento di gennaio 1987 ha avuto un impatto più forte sulla forma e sulla posizione del vortice rispetto al caso medio composito.

La Figura 2.9 mostra la posizione del centroide del vortice polare a tre diversi livelli isentropici per 15 eventi di riscaldamento stratosferico improvviso (SSW) causati dallo spostamento del vortice. I centroidi sono rappresentati come cerchi di colore diverso per ciascun livello isentropico: bianco per 450 K, grigio per 850 K e nero per 1425 K.

Le diverse righe della figura corrispondono a diversi momenti temporali (τ) rispetto all’inizio dell’SSW: τ = -10 giorni (prima dell’SSW), τ = -1 giorno (immediatamente prima dell’SSW), τ = 1 giorno (subito dopo l’inizio dell’SSW) e τ = 4 giorni (quando l’SSW è in uno stato più avanzato).

Ecco un’interpretazione dettagliata per ciascun tempo τ:

• τ = -10 giorni: I centroidi a tutti e tre i livelli isentropici sono vicini tra loro e vicino al polo, indicando che il vortice è relativamente intatto e poco perturbato.
• τ = -1 giorno: Si nota un leggero allontanamento dei centroidi dal polo, specialmente a livelli isentropici superiori, suggerendo che il vortice inizia a essere influenzato dalla dinamica che porta all’SSW.
• τ = 1 giorno: Dopo l’inizio dell’SSW, i centroidi si spostano ulteriormente, con una maggiore dispersione, indicando una significativa perturbazione del vortice polare.
• τ = 4 giorni: A questo punto, i centroidi mostrano la massima dispersione, in particolare a 1425 K, suggerendo che il vortice è stato fortemente deformato o disperso dall’evento di SSW. Questo è particolarmente evidente nel centroide nero, che si sposta significativamente rispetto alla posizione originale, indicando una forte perturbazione nella stratosfera superiore.

Le linee che collegano i centroidi ai vari livelli isentropici mostrano la traiettoria verticale del centroide del vortice nel corso del tempo, fornendo una rappresentazione della sua evoluzione tridimensionale durante l’SSW. Questa rappresentazione aiuta a visualizzare la complessità e la variabilità della dinamica del vortice polare durante gli eventi di SSW, evidenziando come questi eventi possono influenzare diversamente il vortice a seconda del livello isentropico.

2.4 Benchmark Proposti

I risultati presentati suggeriscono che sia ora possibile definire un nuovo insieme di benchmark per la modellazione, rispetto ai quali si può valutare la prestazione dinamica dei modelli di circolazione generale (GCM). A differenza dei benchmark proposti nella sezione 7 di CP07, questi nuovi benchmark sono principalmente qualitativi e si riferiscono all’evoluzione della forma del vortice polare durante gli eventi di riscaldamento stratosferico improvviso (SSW).

In particolare, dopo aver analizzato i dati prodotti dai modelli per eventi in cui il vortice si divide, si potrebbero rispondere alle seguenti domande:

S-1. Il vortice si divide quasi simultaneamente, mantenendo una struttura approssimativamente barotropa nell’intervallo di altitudine tra i 20 e i 40 km? S-2. L’orientamento medio del vortice al momento dell’inizio della divisione è tale per cui i vortici figli si trovano approssimativamente sopra il Canada e la Siberia? S-3. Dopo l’SSW, si verifica una rotazione retrograda dei vortici figli attorno a un centroide comune, e questa rotazione è più marcata nella stratosfera superiore? S-4. Il vortice figlio situato sulla Siberia è tipicamente più grande di quello canadese?

Per gli SSW di spostamento, si devono porre domande diverse:

D-1. Il centroide del vortice si trova nel settore tra 90° Est e 0° Est prima del riscaldamento, presentando un’inclinazione verso ovest distinta al variare dell’altezza? D-2. L’evoluzione del vortice è prevalentemente baroclinica, con un’inclinazione verso ovest che aumenta rapidamente con l’avvicinarsi del tempo di inizio e uno spostamento simultaneo del centroide del vortice verso l’equatore a tutte le altitudini? D-3. Alla conclusione dell’SSW, la longitudine del centroide del vortice varia notevolmente con l’altitudine, con una separazione di fino a 180° tra la posizione del centroide nella stratosfera inferiore (450 K) e quella nella stratosfera superiore (1425 K)? D-4. Alla fine dell’SSW, il vortice polare è quasi completamente contenuto nell’emisfero Atlantico (90° Est-90° Ovest)?

Si propone che l’applicazione diretta della metodologia della sezione 2.2 ai dati di uscita di vorticità assoluta dei GCM (o ai dati di uscita di vorticità potenziale se disponibili) dovrebbe essere sufficiente a svelare le proprietà comportamentali principali del vortice durante un SSW, che possono poi essere confrontate con i benchmark sopra menzionati.

2.5 Conclusioni

Questa indagine si è concentrata sull’evoluzione del vortice polare artico durante significativi riscaldamenti stratosferici improvvisi (SSW) che si verificano in pieno inverno. Sono stati utilizzati compositi temporali e diagnostiche basate sui momenti del vortice per esplorare il comportamento distintivo del vortice polare durante gli eventi SSW di spostamento e di scissione. I risultati principali, che rispondono, per quanto possibile, alle domande poste nell’introduzione, possono essere riassunti come segue:

• Il vortice polare artico assume una struttura verticale molto caratteristica durante i due diversi tipi di SSW. Durante gli eventi di scissione del vortice, questo rimane quasi barotropico e la scissione avviene quasi simultaneamente su un’ampia gamma di altitudini (almeno tra i 20 e i 40 km, come mostrato nelle Figure 2.3 e 2.4). Al contrario, durante gli eventi di spostamento del vortice, lo spostamento del vortice dal polo aumenta con l’altitudine al di sopra dei 30 km, così come l’allungamento del vortice durante l’SSW, come si può vedere nelle Figure 2.7 e 2.8.

• Per entrambi i tipi di SSW, c’è poca variazione tra i singoli eventi nell’orientamento del vortice in formazione rispetto alla topografia sottostante, ovvero gli SSW di ogni tipo sono in gran parte fissi in relazione alla superficie terrestre. Negli eventi di spostamento, il vortice si trova nel settore 90° Est-0° Est prima del riscaldamento, e alla fine del riscaldamento abbraccia l’intero emisfero Atlantico da 90° Est (vortice inferiore) a 90° Ovest (vortice superiore). Vi è una variabilità leggermente maggiore nel caso degli eventi di scissione del vortice (vedi Figura 2.6), ma la direzione dominante delle scissioni è risultata essere parallela al grande cerchio 60° Est-120° Ovest.

• Ogni tipo di SSW mostra un distinto ciclo di vita, nel senso che la posizione, l’orientamento e l’allungamento del centroide del vortice polare artico evolvono in modo simile durante l’inizio e il verificarsi di singoli eventi di scissione, con un comportamento separato durante gli eventi di spostamento. Gli eventi di scissione sono caratterizzati da un aumento rapido del rapporto d’aspetto del vortice alcuni giorni prima dello SSW (τ = -4 a -2 giorni), seguito dal raggruppamento del vortice allungato in due distinti ‘vortici figli’ (τ = -2 a 0 giorni). I vortici figli si allontanano rapidamente fino a raggiungere una distanza di circa 5000 km entro τ = 1 giorno, dopo di che ruotano retrogradamente intorno al loro centroide comune, conducendo di solito alla distruzione del vortice figlio più debole canadese e alla riformazione del vortice principale intorno al più robusto vortice siberiano. Per gli eventi di spostamento del vortice, la separazione in longitudine tra il vortice inferiore (450 K) e quello superiore (1425 K) aumenta in maniera uniforme durante l’SSW, passando da 85° di longitudine (a τ = -10 giorni) a 150° di longitudine (entro τ = 1 giorno). Alla fine del ciclo di vita dello SSW di spostamento (a τ = 4 giorni), la parte superiore del vortice è disintegrata dalla deformazione, e il vortice si riforma successivamente attorno ai suoi resti nella stratosfera inferiore.

Oltre a stabilire i benchmark di modellazione sopra elencati, si prevede che i risultati di questo studio siano di utilità per i ricercatori che intendono distinguere tra diverse teorie dinamiche degli SSW. La struttura verticale del vortice è un indicatore fondamentale per la propagazione verticale e il comportamento non lineare delle onde di Rossby nella stratosfera polare. Seguendo Matsuno (1971), gli SSW di entrambi i tipi sono spesso descritti come il risultato della propagazione verticale e della rottura delle onde planetarie stazionarie che si originano nella troposfera. Come alternativa, è stato suggerito (O’Neill e Pope 1988; Scott e Dritschel 2006) che l’interazione tra il vortice polare e l’anticiclone delle Aleutine potrebbe avere un ruolo importante nello sviluppo degli SSW. Inoltre, Tung e Lindzen (1979a) e Plumb (1981) hanno ipotizzato che gli SSW possano verificarsi in seguito all’eccitazione risonante di una modalità normale della stratosfera, un’idea ulteriormente sviluppata da Esler e Scott (2005) e da Esler et al. (2006), i quali hanno proposto che la modalità ‘barotropica’ del vortice polare sia la modalità pertinente nel caso degli eventi di scissione del vortice. È da notare che, se l’eccitazione risonante delle modalità normali del vortice nelle teorie menzionate è dovuta alle onde stazionarie, allora gli SSW risultanti saranno fissi in relazione alla superficie terrestre come osservato in questo studio. La visione della dinamica del vortice degli SSW può essere particolarmente pertinente per gli eventi di scissione, dato che la scissione del vortice avviene rapidamente e in maniera che ricorda fortemente l’instabilità di Love del vortice ellittico di Kirchhoff in idrodinamica bidimensionale (Dritschel 1986; Love 1893), un aspetto che verrà esaminato ulteriormente. La climatologia qui presentata, che riguarda la struttura verticale del vortice polare artico durante gli SSW osservati, dovrebbe essere di notevole aiuto nel distinguere quantitativamente tra le teorie sopra citate.