2. UNA PANORAMICA DEL QBO E DEI SUOI EFFETTI GLOBALI

2.1. Vento Zonale

Quando osserviamo una rappresentazione del QBO nei venti zonali equatoriali (vedi Figura 1 dello studio di Pawson et al., 1993), notiamo un paio di cose:

• La fase occidentale (quando i venti provengono da ovest) del QBO sembra muoversi verso il basso più velocemente e in modo più regolare.
• La fase orientale (quando i venti provengono da est) appare essere più intensa e dura più a lungo.

Dai dati raccolti tra il 1953 e il 1995, il QBO sembra avere un ciclo di circa 28,2 mesi, leggermente più lungo dei 27,7 mesi notati da uno studio precedente di Naujokat nel 1986.

La Figura 1 evidenzia anche la variabilità o l’imprevedibilità del QBO. I cambiamenti più significativi si osservano vicino alle aree in cui le fasi orientali e occidentali cambiano, con la fase occidentale che mostra variazioni maggiori. Queste variazioni derivano principalmente dalle differenze nella durata di ciascuna fase, come illustrato in Tavola 1.

Un altro ricercatore, Dunkerton, nel 1990 ha sottolineato qualcosa di interessante. Ha suggerito che il QBO potrebbe essere in qualche modo legato al ciclo annuale. Ad esempio, l’inizio della fase orientale a un’altezza di 50 hPa (un’altezza specifica nell’atmosfera) di solito avviene nella tarda primavera o estate dell’emisfero nord. Un’analisi aggiornata nella Figura 2 supporta questa idea, mostrando quando ciascuna fase del vento inizia a 50 hPa. Sia le fasi orientali che quelle occidentali tendono a iniziare principalmente tra aprile e giugno.

La struttura latitudinale del QBO nei venti zonali è mostrata nella Figura 3, derivata da lunghe serie temporali di osservazioni del vento in molte stazioni tropicali [Dunkerton e Delisi, 1985]. L’ampiezza del QBO è simmetrica rispetto alla latitudine, e il massimo è centrato sull’equatore, con una semi-larghezza meridionale di circa 12°. Una struttura simile del QBO è ottenuta da analisi meteorologiche assimilate, ma l’ampiezza è spesso sottostimata in confronto con le misurazioni fatte con radiosonde [Pawson e Fiorino, 1998; Randel et al., 1999].

La Tavola 2 fornisce una panoramica del QBO, delle sue origini e dei suoi effetti dinamici globali, così come una base per la discussione dei dettagli del QBO nelle sezioni seguenti. Il diagramma copre la troposfera, la stratosfera e la mesosfera da polo a polo e mostra schematicamente le differenze nei venti zonali tra le fasi orientali e occidentali del QBO a 40 hPa.

La convezione nella troposfera tropicale, che varia dalla scala dei complessi convettivi mesoscalari (che coprono più di 100 km) ai fenomeni su scala planetaria, produce un ampio spettro di onde (frecce ondulate arancioni), inclusi le onde di gravità, di inerzia-gravità, di Kelvin e Rossby-gravità (vedi sezione 3). Queste onde, con una varietà di lunghezze d’onda verticali e orizzontali e velocità di fase, si propagano nella stratosfera, trasportando momento angolare zonale orientale e occidentale. La maggior parte di questo momento angolare zonale viene depositata a livelli stratosferici, guidando le anomalie dei venti zonali del QBO. Per ciascuna onda, il profilo verticale del vento zonale determina il livello critico a o sotto il quale il momento angolare viene depositato. I livelli critici per queste onde dipendono, in parte, dalle zone di taglio del QBO. Alcune onde di gravità si propagano attraverso l’intera stratosfera e producono un QBO vicino alla mesopausa noto come QBO mesosferico, o MQBO (sezione 6).

La Figura 1 rappresenta un grafico composito dell’oscillazione quasi-biennale (QBO) basato sulla transizione tra le fasi orientali e occidentali a 20 hPa (hectopascal). Ecco una spiegazione dettagliata:

• Transizione: La “transizione” si riferisce al momento in cui i venti cambiano direzione da est a ovest (o viceversa) a una certa altitudine nella stratosfera, in questo caso a 20 hPa.
• Asse del tempo: L’asse del tempo si estende da 5 mesi prima della transizione da est a ovest a 20 hPa fino a 42 mesi dopo. Questo permette di visualizzare come il QBO si sviluppa nel tempo.
• Venti da Ovest (Westerlies): Sono rappresentati con le aree ombreggiate nel grafico. Più scura è l’ombreggiatura, più forte è il vento. L’intensità del vento aumenta con intervalli di 5 m/s.
• Regolarità del QBO: Ciò è dimostrato dalla presenza di una seconda fase di venti da ovest, che inizia a 20 hPa circa 29 mesi dopo l’inizio iniziale. Questo suggerisce che l’oscillazione è abbastanza prevedibile e si ripete più o meno ogni 2 anni e mezzo.
• Pannello inferiore: Mostra la deviazione standard intorno a questo QBO medio. Le aree sono ombreggiate con un intervallo di contorno di 4 m/s. La maggiore variabilità si verifica vicino alle linee di taglio (dove i venti cambiano direzione). Questa variabilità è dovuta al periodo variabile del QBO e al fatto che la durata di ciascuna fase a un determinato livello è lunga rispetto al tempo di transizione.

In sintesi, la Figura 1 visualizza come i venti nella stratosfera cambiano direzione e intensità nel tempo, mostrando un pattern regolare noto come l’oscillazione quasi-biennale. Le variazioni in questo pattern, come indicato dalle zone ombreggiate, rappresentano l’intensità dei venti in diverse fasi dell’oscillazione.

La Figura 2 presenta degli istogrammi che mostrano il numero di transizioni (attraversamenti dello zero) a 50 hPa raggruppate per mese. Ecco una spiegazione dettagliata:

• Asse Verticale: L’asse verticale mostra il “NUMERO DI TRANSITIONS”, ovvero quante volte si verifica una transizione in un particolare mese.
• Asse Orizzontale: L’asse orizzontale rappresenta i mesi dell’anno, da gennaio (J) a dicembre (D).
• Pannello superiore (50hPa E-W): Questo pannello mostra le transizioni da venti orientali (E, Easterly) a venti occidentali (W, Westerly) a 50 hPa. Per ogni mese, vediamo una serie di caselle con numeri all’interno. Questi numeri rappresentano gli anni specifici in cui si è verificata una transizione in quel mese particolare.
• Pannello inferiore (50hPa W-E): Questo pannello mostra le transizioni da venti occidentali (W, Westerly) a venti orientali (E, Easterly) a 50 hPa. Analogamente al pannello superiore, gli anni in cui si è verificata una transizione in un determinato mese sono elencati nelle caselle.

Da questa figura possiamo trarre alcune osservazioni:

1. Ci sono certi mesi in cui le transizioni sono più frequenti rispetto ad altri.
2. La frequenza e la temporizzazione delle transizioni variano da un anno all’altro.
3. Le transizioni E-W e W-E non sono distribuite uniformemente durante l’anno.

In sintesi, la Figura 2 fornisce una panoramica su quando avvengono le transizioni dei venti a 50 hPa durante l’anno e in quali anni specifici si sono verificate queste transizioni.

La Figura 3 presenta un’analisi armonica del vento zonale a 30 hPa, mostrando l’ampiezza di diversi cicli: annuale, semestrale e un componente residuo non stagionale. Ecco una spiegazione dettagliata:

• Asse Verticale: Rappresenta la latitudine, con “EQ” che indica l’equatore. La parte superiore dell’asse rappresenta le latitudini settentrionali, mentre la parte inferiore rappresenta le latitudini meridionali.
• Asse Orizzontale: Mostra l’ampiezza del vento zonale in metri al secondo (m/s). A sinistra dell’equatore, i valori sono negativi, che rappresentano venti orientali, mentre a destra dell’equatore, i valori sono positivi, rappresentando venti occidentali.
• Simboli:
  • Quadrati (□): Rappresentano l’ampiezza del ciclo annuale del vento zonale a diverse latitudini.
  • Triangoli (∆): Mostrano l’ampiezza del ciclo semestrale del vento zonale.
  • Cerchi (○): Indicano il componente residuo non stagionale del vento zonale, ovvero la parte del vento zonale che non può essere spiegata né dal ciclo annuale né dal ciclo semestrale.
• Linee continue: Queste linee rappresentano una sorta di media dei dati, mostrando un trend generale basato su dati raggruppati.

Dalla figura possiamo notare che:

1. L’ampiezza del vento zonale varia con la latitudine.
2. Il ciclo annuale e semestrale del vento zonale ha un’ampiezza diversa a diverse latitudini.
3. Il componente residuo non stagionale del vento zonale mostra una variazione distinta, specialmente vicino all’equatore.

In sintesi, la Figura 3 fornisce una visione dettagliata di come il vento zonale a 30 hPa varia in termini di cicli annuali, semestrali e non stagionali attraverso diverse latitudini.

2.2. Temperature and Meridional Circulation

Il testo fornito discute della relazione tra l’Oscillazione Quasi-Biennale (QBO) e la temperatura, così come di come ciò si relaziona con la circolazione meridionale (nord-sud) nell’atmosfera. Ecco una spiegazione dettagliata dei punti principali e delle equazioni:

Punti Principali:

1. QBO e Temperatura: L’Oscillazione Quasi-Biennale (QBO) mostra un pattern notevole o “firma” nelle misurazioni della temperatura. Questa firma può essere osservata sia nelle regioni tropicali che in quelle extratropicali.
2. Equilibrio del Vento Termico: Nei tropici, le fluttuazioni della temperatura associate alla QBO possono essere collegate con il cambiamento delle velocità dei venti zonali (est-ovest) con l’altezza. Questo legame è descritto dall’equilibrio del vento termico.

Equazioni:

Queste equazioni descrivono essenzialmente la relazione tra i cambiamenti nella temperatura e i cambiamenti nelle velocità dei venti a diverse altitudini e latitudini. Per la QBO, queste relazioni aiutano gli scienziati a comprendere come e perché vediamo specifici pattern di cambiamenti nella temperatura e nei venti associati a questo fenomeno.

In sostanza, il testo descrive in dettaglio come le anomalie di temperatura associate alla QBO influenzino diversi strati dell’atmosfera, dimostrando correlazioni significative e pattern distinti nelle variazioni di temperatura e nei movimenti dei venti.

Oltre al massimo equatoriale nella temperatura QBO, i dati satellitari rivelano massimi coerenti tra i 20° e i 40° di latitudine in ciascun emisfero, che sono fuori fase rispetto al segnale tropicale. Questo viene dimostrato nella Figura 6, che mostra la regressione delle temperature stratosferiche tra i 13 e i 22 km (dal canale 4 dell’unità di sondaggio a microonde) sui venti QBO a 30 hPa, per il periodo 1979–1999. Un aspetto notevole delle anomalie di temperatura extratropicali è che esse sono sincronizzate stagionalmente, verificandosi principalmente durante l’inverno e la primavera in ciascun emisfero. Firme quasi identiche sono osservate nelle misurazioni dell’ozono totale (sezione 5), e questa variabilità extratropicale sincronizzata stagionalmente è un aspetto chiave e intrigante del QBO globale. Poiché le anomalie di temperatura a bassa frequenza sono strettamente accoppiate con le variazioni nella circolazione meridionale media, i modelli di circolazione globale associati al QBO sono anch’essi fortemente asimmetrici durante il solstizio (frecce nella Figura 5). I modelli di temperatura nella Figura 6 mostrano inoltre segnali in entrambe le regioni polari, che sono fuori fase rispetto ai tropici e raggiungono il massimo in primavera in ciascun emisfero.

Sebbene questi segnali polari siano più grandi dei massimi subtropicali e probabilmente autentici, non sono statisticamente significativi in questo record del 1979-1998 a causa della grande variabilità naturale nelle regioni polari durante l’inverno e la primavera.

La modulazione del vento zonale medio da parte del QBO (Tavola 1) è collegata alla modulazione della circolazione meridionale media zonalmente media. La circolazione climatologica è caratterizzata da un grande ascendente nei tropici, un trasporto polare ampio nella stratosfera e un affondamento compensatorio attraverso la tropopausa extratropicale [Holton et al., 1995]. Il trasporto di specie chimiche traccianti dentro, all’interno e fuori dalla stratosfera è il risultato sia delle grandi circolazioni sia dei processi di miscelazione associati alle onde. I processi chimici, come quelli che risultano nell’impoverimento dell’ozono, non dipendono solo dalle concentrazioni di specie traccianti, ma possono anche dipendere in modo critico dalla temperatura. Poiché il QBO modula la circolazione stratosferica globale, incluse le regioni polari, comprendere gli effetti del QBO non solo sulla dinamica e sulla temperatura, ma anche sulla distribuzione delle specie traccianti è essenziale per comprendere la variabilità e il cambiamento climatico globale.

Molte specie traccianti a lunga durata di vita, come N2O e CH4, hanno origine nella troposfera e vengono trasportate nella stratosfera attraverso la tropopausa tropicale. La Tavola 3 fornisce una sintesi dell’influenza del QBO sulla circolazione meridionale media e sul trasporto di specie chimiche traccianti. Nella Tavola 3, i contorni illustrano schematicamente le isoplete di un tracciante idealizzato, conservativo, a lunga durata di vita e verticalmente stratificato durante l’inverno nell’emisfero nord quando i venti equatoriali sono orientali vicino ai 40 hPa (in corrispondenza con la Tavola 2). L’ascesa si riflette nel massimo tropicale ampio nella densità del tracciante nella stratosfera media e superiore. Le anomalie extratropicali causate dal QBO risultano in deviazioni dalla simmetria emisferica, alcune delle quali sono dovute anche al ciclo stagionale del mescolamento delle onde planetarie.

Le frecce grasse nella Tavola 3 illustrano le anomalie di circolazione associate al QBO (la circolazione media nel tempo è stata rimossa), che qui si assume sia orientale a 40 hPa. All’equatore, il QBO induce un’ascesa (relativa all’ascesa media tropicale) attraverso la tropopausa, ma una discesa nella stratosfera media e superiore. L’anomalia di circolazione nella bassa stratosfera è quasi simmetrica rispetto all’equatore, mentre l’anomalia di circolazione nella stratosfera media è maggiore nell’emisfero invernale (vedi sezione 5).

Questa asimmetria si riflette nelle isoplete asimmetriche del tracciante. Oltre all’avvezione operata dalla circolazione meridionale media, il tracciante è miscelato dai moti ondosi (approssimativamente su superfici isentropiche, o a temperatura potenziale costante). Questo mescolamento è rappresentato dalle frecce orizzontali ondulate. La discesa dall’anomalia di circolazione nella stratosfera media crea un pattern a “scala” nelle isoplete del tracciante tra l’equatore e i subtropici (vicino ai 5 hPa). Un secondo gradino della scala nell’emisfero invernale a medie latitudini è formato dal mescolamento isentropico nella regione a basso gradiente di vorticità potenziale che circonda il vortice polare, conosciuto come zona di surf [McIntyre e Palmer, 1983]. Il mescolamento può anche verificarsi verso l’equatore rispetto all’asse del getto subtropicale nella stratosfera superiore, come illustrato dalla linea ondulata vicino ai 3 hPa e 10°-20°N [Dunkerton e O’Sullivan, 1996]. Un trasporto anomalo dall’Emisfero Sud (SH) all’NH vicino allo stratopausa è associato a un’accentuazione dell’onda planetaria extratropicale (Tavola 2). Gli effetti dettagliati del QBO sul trasporto dei traccianti sono discussi nella sezione 5.

La grafica mostra due differenti tracciati con l’asse delle x che rappresenta gli anni dal 1980 al 1998. L’asse delle y ha due diverse scale sul lato sinistro e destro per rappresentare due diversi set di dati.

1. Anomalie di Temperatura Equatoriale (curva inferiore):
   • Questa è rappresentata dalla curva più vicina alla parte inferiore del grafico.
   • L’asse delle y sul lato sinistro mostra le anomalie di temperatura in Kelvin (K). Un’anomalia indica una deviazione da uno standard o una media. In questo contesto, rappresenta la deviazione della temperatura da un certo valore di riferimento o medio.
   • I valori vanno da -4 K a 4 K. Valori positivi indicano temperature superiori alla media, mentre valori negativi indicano temperature inferiori alla media.
   • Questi dati forniscono un’idea di come la temperatura sia deviata dalla media nello strato atmosferico da 30 a 50 hPa nella regione equatoriale negli anni.
2. Wind Shear Verticale (curva superiore):
   • Questa è la curva più vicina alla parte superiore del grafico.
   • L’asse delle y sul lato destro mostra il wind shear verticale in metri al secondo (m/s). Il wind shear si riferisce al cambiamento nella velocità del vento o nella direzione con l’altezza nell’atmosfera.
   • I valori vanno da -10 m/s a 10 m/s. Valori positivi potrebbero rappresentare un aumento della velocità del vento con l’altezza, mentre valori negativi potrebbero rappresentare una diminuzione della velocità del vento con l’altezza.
   • Questi dati forniscono informazioni sulle variazioni del wind shear verticale negli anni.

In generale, il grafico fornisce informazioni su come le anomalie di temperatura equatoriale e il wind shear verticale siano variate dal 1980 al 1998. Le due curve potrebbero essere correlate in qualche fenomeno atmosferico o climatico, poiché i loro modelli sembrano mostrare una certa correlazione. Il QBO (Quasi-Biennial Oscillation) menzionato nella descrizione è un fenomeno legato ai modelli di vento alternati nella stratosfera, e questa grafica potrebbe mostrare il suo impatto sulla temperatura e sul wind shear.

La Figura 5 mostra una sezione trasversale delle anomalie del QBO (Quasi-Biennial Oscillation) nel febbraio 1994.

1. Assi:
   • L’asse delle x rappresenta la latitudine, che varia dal Polo Sud (90S) al Polo Nord (90N).
   • L’asse delle y mostra due scale: una rappresenta l’altezza in chilometri e l’altra rappresenta la pressione in millibar (mb). Le due scale sono inversamente proporzionali: quando l’altezza aumenta, la pressione atmosferica diminuisce.
2. Anomalie di Temperatura (contorni):
   • Le anomalie di temperatura sono rappresentate dai contorni nella figura. Questi contorni mostrano dove la temperatura era superiore o inferiore rispetto al normale per quel mese e anno.
   • Anomalie positive (temperatura superiore alla media) sono rappresentate da linee continue, mentre anomalie negative (temperatura inferiore alla media) sono denotate da contorni tratteggiati.
   • Le anomalie sono date in Kelvin (K) e variano in intervalli come 0,5 K, 1,0 K, 1,5 K, e così via.
3. Circolazione Residua Media (vettori):
   • Questi sono rappresentati dai vettori (frecce) sulla figura. Questi vettori mostrano la direzione e la grandezza della circolazione atmosferica residua in quel periodo.
   • La componente orizzontale del vettore (sinistra o destra) indica la direzione del vento lungo la latitudine, mentre la componente verticale (su o giù) indica la direzione del movimento verticale dell’aria.
   • I vettori sono scalati da una funzione arbitraria dell’altitudine, il che significa che la loro lunghezza potrebbe non rappresentare direttamente la grandezza del flusso, ma piuttosto è stata modificata per una migliore visualizzazione a diverse altitudini.

In sintesi, la Figura 5 mostra le anomalie di temperatura e la circolazione atmosferica associata al QBO nel febbraio 1994. Le anomalie di temperatura indicano dove l’atmosfera era più calda o più fredda del solito, mentre i vettori forniscono informazioni sulla direzione e la grandezza della circolazione dell’aria in quel periodo.

La Figura 6 rappresenta una regressione del QBO (Quasi-Biennial Oscillation) utilizzando i dati di temperatura dell’unità di sondaggio a microonde (MSU4) tra 13 e 22 km per gli anni 1979-1998.

1. Assi:
   • L’asse delle x rappresenta i mesi dell’anno, da gennaio (J) a dicembre (D).
   • L’asse delle y mostra la latitudine, che varia dal 60°S al 60°N.
2. Regressione del QBO (contorni):
   • I contorni sulla figura rappresentano la regressione del QBO, cioè la relazione tra la variazione della temperatura e il ciclo del QBO.
   • L’unità di misura per questa regressione è Kelvin per 10 metri al secondo (K/10m/s).
   • Ci sono contorni continui e tratteggiati. Mentre i contorni continui indicano valori positivi, i contorni tratteggiati indicano valori negativi.
3. Ombreggiatura:
   • Le aree ombreggiate sulla figura indicano le regioni in cui i risultati della regressione non sono statisticamente significativi, ovvero non sono diversi da zero al livello di 2σ (due deviazioni standard). In altre parole, nelle aree ombreggiate, non c’è una relazione chiara tra il QBO e le variazioni di temperatura.

In sintesi, la Figura 6 mostra come la temperatura, misurata da un’unità di sondaggio a microonde, sia correlata al QBO in diverse latitudini e mesi dell’anno. La regressione aiuta a visualizzare l’influenza del QBO sulle variazioni di temperatura. Le aree ombreggiate indicano dove questa relazione non è statisticamente significativa.

La figura fornisce una panoramica schematica del trasporto di traccianti (sostanze utilizzate per tracciare i movimenti dell’aria) dovuto alle anomalie del vento QBO (Quasi-Biennial Oscillation) e all’advezione media.

1. Assi:
   • L’asse verticale rappresenta la pressione in hPa (hectopascal), che varia da 0.001 a 1000 hPa. Questo asse serve anche come indicazione dell’altitudine, con valori di pressione più bassi corrispondenti a quote più elevate.
   • L’asse orizzontale mostra la latitudine, variando dal Polo Sud (SP) al Polo Nord (NP).
2. Contorni:
   • Questi rappresentano schematicamente gli isoplessi (linee di uguale densità) di un tracciante conservativo durante l’inverno boreale, quando il QBO è nella sua fase orientale a 40 hPa. L’upwelling (movimento ascendente dell’aria) tropicale provoca un ampio massimo nella densità del tracciante nella stratosfera equatoriale media-superiore.
3. Stratopausa e Tropopausa:
   • Questi sono rispettivamente i confini superiori e inferiori della stratosfera. La figura indica che la stratopausa e la tropopausa variano con la latitudine.
4. Frecce Rosse:
   • Rappresentano le anomalie di circolazione del QBO.
   • Vicino all’equatore, l’anomalia di circolazione nella stratosfera inferiore è approssimativamente simmetrica, mentre quella nella stratosfera superiore è molto più forte nell’emisfero invernale.
5. Staircase (gradino) Pattern:
   • Il disegno indica che la discesa dell’aria vicino all’equatore (circa 5 hPa) e l’ascesa a nord (circa 5 hPa, 10°N) si combinano per produrre un modello a gradoni. Un secondo gradino viene formato a medie latitudini a causa della miscelazione orizzontale.
6. Estate e Inverno:
   • Le parole “Summer” e “Winter” indicano rispettivamente l’emisfero sud e l’emisfero nord. Durante l’inverno boreale, l’emisfero nord è in inverno e l’emisfero sud è in estate.

In sintesi, questa figura mostra come la densità di un tracciante conservativo varia con la latitudine e l’altitudine nella stratosfera durante l’inverno boreale, e come le anomalie di circolazione del QBO influenzino questa distribuzione. Viene evidenziato un particolare modello a gradoni, con caratteristiche specifiche nelle regioni equatoriali e nelle medie latitudini.