3.3.1. Modelli unidimensionali.
I modelli unidimensionali, nei quali i campi di vento e onda sono funzioni solo dell’altezza, sono stati utilizzati per esplorare molti aspetti del comportamento della QBO rilevanti per l’atmosfera reale. A volte la unidimensionalità può essere giustificata, come nel lavoro di Holton e Lindzen [1972], integrando le equazioni dinamiche in latitudine per derivare le equazioni di evoluzione per il flusso zonale integrato attraverso i tropici. Questo approccio è accettabile per le onde di Kelvin, che si sa dipendono principalmente dal vento vicino all’equatore e che generano un semplice profilo di forzante del flusso medio. Altre onde equatoriali, tuttavia, sono significativamente influenzate dallo shear in latitudine e producono profili latitudinali più complicati di forzante del flusso medio [Andrews e McIntyre, 1976; Boyd, 1978; Dunkerton, 1983a]. Le onde di gravità ad alta frequenza si propagano principalmente in verticale, e la loro interazione con il flusso medio è più facilmente descritta in un modello 1-D. Per queste onde, la dipendenza latitudinale delle sorgenti è importante, tuttavia, a causa della distribuzione variabile stagionalmente della convezione tropicale [Allen e Vincent, 1995]. Per queste e altre ragioni, l’utilità dei modelli 1-D è limitata e il loro valore risiede nella loro semplicità piuttosto che nel loro realismo. Ad esempio, Plumb [1977] ha considerato onde di gravità non rotanti al fine di dimostrare un certo numero di proprietà di base del comportamento della QBO.
I modelli unidimensionali sono stati utilizzati per investigare diversi aspetti della forzante delle onde QBO, tra cui l’effetto dell’ammortamento radiativo dipendente dalla scala delle onde [Hamilton, 1981], gli effetti delle onde di Rossby che si propagano lateralmente [Dunkerton, 1983b], gli effetti dell’auto-accelerazione della velocità di fase dell’onda e della saturazione dell’onda [Tanaka e Yoshizawa, 1987], il sollevamento della circolazione tropicale di Hadley [Saravanan, 1990] e le variazioni interannuali della forzante [Geller et al., 1997]. I modelli unidimensionali sono anche utili per interpretare i risultati di modelli più complessi 2-D o 3-D [Dunkerton, 1997].
3.3.2. Modelli bidimensionali.
Molti aspetti importanti del comportamento della QBO possono essere considerati utilizzando modelli che rappresentano solo variazioni latitudinali e verticali. Questo si applica ovviamente alle questioni riguardanti la struttura latitudinale, ma anche a questioni più ampie riguardanti l’interazione della QBO con il ciclo annuale e l’effetto della QBO sulla distribuzione dei traccianti (che verrà discusso più dettagliatamente nella sezione 5).
La prima analisi dettagliata di un modello 2-D sulla struttura latitudinale, compresa la circolazione meridionale media, fu quella di Plumb e Bell [1982b], che ipotizzarono che i flussi di momento d’onda fossero dovuti a onde di Kelvin equatoriali e onde di Rossby-gravity. Per il campo del vento in un dato istante, calcolarono la struttura altezza-latitudine delle onde sulla base di un calcolo lineare in stato stazionario [Plumb e Bell, 1982a]. Questi flussi di momento e calore furono utilizzati per forzare le equazioni dinamiche simmetriche longitudinalmente, includendo l’ammortamento termico attraverso un termine di raffreddamento Newtoniano, con la struttura delle onde ricalcolata ad ogni passo temporale. Il loro tentativo di simulare la QBO in questo modo fu in larga misura riuscito, tranne che erano limitati ai casi in cui l’ampiezza dell’oscillazione era solo circa la metà di quella osservata. Dunkerton [1985] e Takahashi [1987] utilizzarono diverse strategie per calcolare i flussi di momento d’onda e riuscirono a simulare oscillazioni di ampiezza realistica. I modelli 2-D mostravano esplicitamente che l’anomalia della circolazione meridionale della QBO era nel senso di affondamento all’equatore nelle zone di shear di venti da ovest e di risalita all’equatore nelle zone di shear di venti da est. Nelle zone di shear di venti da ovest, l’equazione del vento termico (1b) implica un massimo di temperatura all’equatore che è mantenuto contro l’ammortamento termico dal riscaldamento adiabatico dovuto al moto di affondamento. L’opposto vale nelle zone di shear di venti da est. Il modello di zone di shear e circolazioni meridionali è mostrato schematicamente nella Figura 13.
I modelli sopra menzionati erano focalizzati sulle regioni equatoriali e non includevano un ciclo stagionale realistico nei venti o nelle temperature. Una QBO realistica fu raggiunta da Gray e Pyle [1989] in un modello radiativo-dinamico completo (che quindi aveva un ciclo stagionale realistico) solo aumentando il loro momento d’onda parametrizzato forzante di un fattore 3 più grande di quanto potesse essere giustificato dalle sole onde di Kelvin e Rossby-gravity. Questa forzante aggiuntiva, ora ritenuta dovuta a onde di gravità e inerzia-gravità, era necessaria affinché i regimi di vento della QBO si propagassero verso il basso nonostante l’upwelling climatologico nei tropici [Dunkerton, 1997]. Mengel et al. [1995] ottennero un’oscillazione simile alla QBO in un modello della media atmosfera 2-D in cui il trasporto di momento d’onda era dovuto esclusivamente alla parametrizzazione dell’onda di gravità di Hines [1997]. Sebbene la QBO simulata in questo modello fosse debole e sensibile alla diffusione verticale, la sorprendente capacità della parametrizzazione di riprodurre l’intera struttura di fase delle oscillazioni equatoriali osservate [Burrage et al., 1996] sottolinea l’importanza delle onde di gravità che hanno una vasta gamma di velocità di fase e la cui ampiezza aumenta con l’altezza.
Le simulazioni 2-D di Gray e Pyle [1989] dimostrarono che l’influenza della QBO si estende a tutte le latitudini. Ad esempio, la circolazione della QBO con movimento ascendente o discendente all’equatore è compensata da una circolazione opposta fuori dall’equatore, che dà origine a un’anomalia di temperatura nelle subtropicale e nelle medie latitudini di segno opposto a quella all’equatore (vedi anche Plumb e Bell [1982b] e Dunkerton [1985]). È anche presente una significativa asimmetria interemisferica nel tempismo e nell’ampiezza delle anomalie subtropicali, a causa dell’interazione della QBO con il ciclo stagionale [Gray e Dunkerton, 1990].
La velocità meridionale indotta dalla QBO nell’emisfero invernale e, corrispondentemente, la velocità verticale nell’emisfero subtropicale invernale sono sostanzialmente maggiori di quelle nell’emisfero estivo, in particolare sopra circa 25 km [Jones et al., 1998; Kinnersley, 1999], probabilmente dovuto in parte a gradienti asimmetrici di momento angolare subtropicale ai solstizi. La circolazione meridionale influisce sui traccianti chimici come l’ozono e dà origine a forti segnali della QBO in tali traccianti a tutte le latitudini, con una significativa asimmetria interemisferica (vedi sezione 5). Tuttavia, potrebbe anche esserci un significativo feedback dell’ozono sulla dinamica della QBO, poiché le variazioni dell’ozono hanno implicazioni radiative e, in particolare, hanno un effetto diretto sul riscaldamento a onde corte. L’effetto dell’inclusione dell’accoppiamento tra anomalie di ozono-QBO e tassi di riscaldamento tende a ridurre il tasso di riscaldamento che altrimenti sarebbe calcolato da una data anomalia di temperatura nella stratosfera inferiore [Hasebe, 1994; Li et al., 1995; Kinnersley e Pawson, 1996; Randel et al., 1999]. Hasebe [1994] sostenne che questo effetto deve essere preso in considerazione per spiegare la relazione di fase osservata nella stratosfera inferiore tra i segnali della QBO in ozono e vento. Nella stratosfera superiore, il riscaldamento dell’ozono aumenta la velocità verticale della QBO. Plumb e Bell [1982b] notarono che gli effetti advettivi della circolazione meridionale possono spiegare l’asimmetria osservata nella discesa degli alisei e dei venti da ovest (senza bisogno di asimmetria nelle onde che forniscono flussi di momento est-ovest). L’advezione verso il basso del momento associata alla zona di shear di venti da ovest aumenta la discesa dei venti da ovest, mentre l’advezione verso l’alto del momento associata al shear di venti da est inibisce la discesa degli alisei. Un ulteriore effetto advettivo, dal momento che le velocità verticali sono maggiori vicino all’equatore, è quello di restringere latitudinalmente la regione di accelerazione più forte dei venti da ovest e di allargarla per l’accelerazione più forte degli alisei [Hamilton, 1984; Dunkerton e Delisi, 1985; Dunkerton, 1985; Takahashi, 1987; Dunkerton, 1991a].
3.3.3. Modelli tridimensionali.
Nei modelli 1-D e 2-D discussi sopra, le onde che contribuiscono alla generazione della QBO devono essere parametrizzate. I modelli tridimensionali offrono la possibilità di simulare esplicitamente le onde, senza bisogno di semplificazioni che permettano la parametrizzazione. Nei modelli “meccanicistici”, le onde sono forzate artificialmente (ad es., mediante campi di riscaldamento imposti o perturbazioni al confine inferiore). Un particolare problema in cui i modelli meccanicistici hanno fornito importanti intuizioni riguarda se il forcing del momento est può essere fornito interamente da onde di Rossby-gravity. Una simulazione di modello meccanicistico 3-D di Takahashi e Boville [1992] in cui un’onda di Kelvin e un’onda di Rossby-gravity erano forzate al confine inferiore ha fornito una buona rappresentazione della QBO nella stratosfera inferiore. Tuttavia, le ampiezze dell’onda di Kelvin e, in particolare, dell’onda di Rossby-gravity erano notevolmente più forti dei valori osservati. Questo risultato ha aggiunto alle prove che è necessario uno spettro di onde molto più ampio.
Nei modelli di circolazione generale (GCM) le onde sono generate spontaneamente nel modello (anche se ciò non significa che i processi di generazione siano necessariamente realistici). Per varie ragioni, la capacità di simulare una QBO realistica è un requisito rigoroso per un GCM. In primo luogo, il grande contributo apparente della QBO alla variabilità interannuale nell’intera atmosfera media, non solo alle basse latitudini (vedi sezione 4), significa che, in ultima analisi, se un GCM che include l’atmosfera media deve essere considerato realistico, deve rappresentare la QBO. In secondo luogo, poiché si ritiene che la QBO sia parzialmente guidata da onde eccitate dalla convezione cumuliforme (su una vasta gamma di scale), la capacità o l’incapacità di un modello di simulare la QBO potrebbe anche avere implicazioni per la circolazione troposferica tropicale simulata.
Fino a poco tempo fa, nessun modello di circolazione generale (GCM) era riuscito a simulare con successo la QBO (o un’oscillazione “simile alla QBO” guidata dalle onde a lungo periodo) anche se i GCM includevano onde di Kelvin e Rossby-gravity di ampiezza realistica (Community Climate Model, Version 2 (CCM2) [Boville e Randel, 1992] o SKYHI [Hayashi e Golder, 1994]). La simulazione della QBO pone evidentemente requisiti impegnativi su un GCM. Qui presentiamo una panoramica delle simulazioni di successo e discutiamo le principali caratteristiche su cui dipende una simulazione di successo.
La prima simulazione realistica della QBO in un GCM fu realizzata da Takahashi [1996]. Ha utilizzato il GCM del Center for Climate System Research/National Institute of Environmental Studies (CCSR/NIES) con una risoluzione orizzontale di T21 (truncamento triangolare al numero totale di onde 21, equivalente a una spaziatura della griglia di circa 600 km o 5,5 gradi di latitudine) e una spaziatura della griglia verticale di 500 m nella stratosfera. Questa fine risoluzione verticale ha permesso alle onde con piccola lunghezza d’onda verticale di propagarsi verticalmente e interagire con il flusso medio; la maggior parte dei precedenti GCM aveva una spaziatura della griglia verticale di 2 km o più nella stratosfera.
Tutti i GCM, per ragioni numeriche, includono una sorta di diffusione orizzontale o equivalente. In questo caso, per ottenere una QBO è stato necessario ridurre anche il coefficiente della diffusione orizzontale di quarto ordine di un ordine di grandezza rispetto al suo valore standard. Il modello ha quindi prodotto un’oscillazione simile alla QBO con un periodo di 1,5 anni. Altre simulazioni sono state realizzate da Horinouchi e Yoden [1998] (GCM aquaplanet, periodo 1,1 anni); Hamilton et al. [1999] (SKYHI, periodo 1 anno); e Untch [1998] (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF), periodo realistico). Plate 5 mostra la simulazione più realistica fino ad oggi [Takahashi, 1999], con un periodo di 2,3 anni, utilizzando una risoluzione orizzontale di T42. Il coefficiente di diffusione orizzontale doveva essere ridotto di un fattore 4 rispetto al suo valore standard.
Sebbene diversi GCM abbiano prodotto simulazioni della QBO, non esiste un semplice insieme di criteri che garantisca una simulazione di successo. Le simulazioni realistiche sono difficili e richiedono tempo perché dipendono dalla sottile interazione di diversi fattori. La simulazione di una QBO in un GCM richiede una fine risoluzione verticale nella stratosfera, un piccolo coefficiente di diffusione, una risoluzione orizzontale moderata o alta, e uno schema di convezione che genera onde sufficienti a guidare la QBO.
La spaziatura della griglia verticale nella stratosfera deve essere sufficiente per risolvere le onde e la loro interazione con il flusso medio. I valori utilizzati nelle simulazioni della QBO variano da 500 m [Takahashi, 1996] a 1500 m [Untch, 1998]. Non è sempre necessaria un’elevata risoluzione orizzontale. La simulazione di Takahashi [1996] utilizzava una risoluzione orizzontale di solo T21. In una simulazione T63, Untch [1998] ha scoperto che una QBO si sviluppava, ma poi scompariva a causa di una deriva occidentale a lungo termine nella stratosfera superiore. La deriva è stata eliminata e la QBO è persistita in una simulazione T159. Hamilton et al. [1999] hanno scoperto che era necessaria una risoluzione orizzontale di 2° x 2,4°.
Lo sviluppo di un’oscillazione può essere impedito dalla diffusione orizzontale che appiana la struttura meridionale del flusso zonale. Tutte le simulazioni QBO di successo hanno tempi di diffusione più lunghi rispetto al periodo dell’oscillazione simile alla QBO simulata. Le onde che si propagano verso l’alto nella stratosfera sono anche smorzate dalla diffusione. Takahashi [1996] ha dimostrato che una diminuzione del coefficiente di diffusione aumentava la potenza delle onde nella stratosfera, avendo poco effetto sulla troposfera.
Come nell’atmosfera reale, sembra che uno spettro ampio di onde fornisca la forzatura necessaria in queste simulazioni. Ad esempio, Takahashi et al. [1997] suggerirono che l’accelerazione in direzione est del modello QBO era dovuta alle onde di gravità così come alle onde di Rossby provenienti dall’inverno nell’emisfero nord e alle onde di Rossby-gravità, mentre l’accelerazione in direzione ovest era dovuta alle onde di Kelvin e di gravità. In contrasto, nel modello di Takahashi [1999], le onde di gravità erano la forzatura dominante per la QBO. Horinouchi e Yoden [1998] hanno anche fatto un’analisi approfondita delle onde. La distribuzione di frequenza del flusso di quantità di moto e la sua grandezza erano approssimativamente coerenti con le stime osservative di Sato e Dunkerton [1997] per Singapore (vedi sezione 3.2). In particolare, le onde di Kelvin e Rossby-gravità hanno svolto un piccolo ruolo.
La fonte troposferica delle onde, che è dominata dal rilascio di calore latente dovuto alla convezione cumuliforme, è una caratteristica cruciale. Poiché la maggior parte dei GCM riproduce approssimativamente la precipitazione media climatologica, i componenti a bassa frequenza del riscaldamento latente saranno simili. Tuttavia, le caratteristiche transitorie della convezione cumuliforme, che sono importanti per l’eccitazione delle onde, differiscono notevolmente tra i modelli.
Tutte le simulazioni QBO di successo hanno utilizzato lo schema di regolazione convettiva umida, tranne il modello di Untch [1998], che ha utilizzato lo schema di Tiedtke [1989]. Lo schema di regolazione convettiva umida tende a produrre una convezione cumuliforme intermittente su scala di griglia. Il modello T21 di Takahashi [1996] ha anche prodotto un’oscillazione simile alla QBO quando lo schema è stato sostituito dallo schema prognostico Arakawa-Schubert [Nagashima et al., 1998], che tende anche a produrre impulsi di riscaldamento altamente transitori su scala di griglia. Tuttavia, alcune parametrizzazioni cumuliformi producono poca convezione cumuliforme transitoria.
Un ulteriore fattore che potrebbe influenzare la capacità di un GCM di simulare una QBO è l’ascesa tropicale dovuta alla circolazione di Brewer-Dobson. Come notato nella sezione 3.3.1, un forte movimento ascendente tende a rallentare la discesa della QBO. L’ascesa nel modello di Takahashi [1999], che aveva un periodo realistico, era leggermente più debole rispetto alle stime osservative di Mote et al. [1996]. I modelli di Takahashi [1996] e Horinouchi e Yoden [1998], che avevano periodi più brevi, avevano un movimento ascendente irrealisticamente debole. È possibile che in alcuni modelli, un movimento ascendente irrealisticamente forte possa impedire la simulazione di una QBO, mentre in altri modelli, un movimento ascendente irrealisticamente debole possa risultare in un periodo QBO più breve rispetto a quello osservato.
Il fattore più importante nel riprodurre la QBO è probabilmente l’uso di una risoluzione verticale fine per risolvere le onde di gravità equatoriali. La diffusione orizzontale dovrebbe essere abbastanza debole da non impedire l’evoluzione dell’oscillazione del flusso medio e da non essere il meccanismo di smorzamento primario per le onde. Le caratteristiche transitorie della convezione cumuliforme tropicale sono importanti anche poiché determinano l’eccitazione delle onde. Nonostante il recente successo, quei modelli che hanno riprodotto la QBO potrebbero avere una convezione cumuliforme eccessivamente attiva e quindi un’ampiezza eccessivamente grande delle onde di gravità con scale risolte. Pertanto, una parametrizzazione delle onde di gravità su scala sottogriglia dovuta alla convezione, che integra la forzatura dovuta alle onde risolte, potrebbe essere necessaria per produrre una QBO con lo stesso spettro di onde che la guidano nell’atmosfera reale.
Figura 13. Sezioni schematiche di latitudine-altitudine che mostrano la circolazione meridionale media associata all’anomalia di temperatura equatoriale della QBO (Oscillazione Quasi-Biennale). I contorni pieni rappresentano le isotermi delle anomalie di temperatura, e i contorni tratteggiati rappresentano gli isoplessi dei venti zonali. I segni più e meno indicano la direzione delle accelerazioni del vento zonale guidate dalla circolazione meridionale media. (a) Zona di gradiente del vento da ovest. (b) Zona di gradiente del vento da est. Tratto da Plumb e Bell [1982b]. Stampato con il permesso della Royal Meteorological Society.
Plate5. Sezione di tempo-altitudine del vento zonale medio all’equatore simulato da Takahashi [1999]. L’asse delle ordinate varia dal giorno 0 (1 gennaio, con un anno di modello di 360 giorni) al giorno 1830. L’intervallo di contorno è di 6 m/s. Le sfumature rosse e blu rappresentano rispettivamente i venti da ovest e i venti da est.
