A study on the formation and trend of theBrewer‐Dobson circulation

Studio sulla Circolazione di Brewer-Dobson

La circolazione di Brewer-Dobson (BDC) è essenzialmente rappresentata dalla circolazione residua (RC) e si ritiene sia mossa dalla forza di corpo generata dalla rottura e/o dalla dissipazione delle onde atmosferiche. Nel Modello Climatico Chimico del Centro per la Ricerca del Sistema Climatico/Istituto Nazionale per gli Studi Ambientali (CCSR/NIES), è stata esaminata l’influenza di vari tipi di onde sulla RC applicando il principio di controllo verso il basso (DC). È emerso che la resistenza delle onde di gravità (GWD), inclusa quella orografica (OGWD), influisce significativamente sulla RC nelle regioni di bassa e media latitudine della bassa stratosfera. In particolare, la formazione della componente dell’emisfero estivo a bassa latitudine della circolazione invernale è attribuibile in gran parte alla GWD. Tali risultati sono in accordo con le valutazioni del contributo della GWD ottenute dai dati di rianalisi, dai quali è stata sottratta la componente delle onde risolte, seguendo il principio DC. Si è inoltre notato un incremento del flusso di massa netto verso l’alto a livello della superficie dei 70 hPa nel corso del 21° secolo, dovuto al sollevamento della OGWD. Questo dato è conforme alle osservazioni di studi precedenti. Questi risultati confermano che le onde di gravità svolgono un ruolo cruciale nel sostegno della BDC.

1. Introduzione

La circolazione di Brewer-Dobson (BDC) è un sistema di circolazione globale che modifica le distribuzioni di traccianti chimici nella stratosfera attraverso un flusso ascendente nei tropici e flussi discendenti nelle latitudini più elevate. Questa circolazione prende il nome dai suoi scopritori, Brewer e Dobson, che studiarono rispettivamente il vapore acqueo e l’ozono. Si riconosce che la maggior parte dell’aria stratosferica origina dalla troposfera, attraversando la tropopausa tropicale. Questo scambio di massa tra troposfera e stratosfera, regolato dalla BDC, è rappresentato dal flusso di massa netto verso l’alto nei tropici, un indicatore della forza della BDC.

Il tempo di rovesciamento della massa atmosferica nella stratosfera, definito come il tempo necessario per il rinnovo della massa dell’aria sopra i 70 hPa, è stimato in circa cinque anni, basato su osservazioni e simulazioni di modelli. La circolazione residua (RC) rappresenta un’approssimazione accurata della BDC, comprendendo anche processi di mescolamento, oltre al trasporto.

In questo lavoro, lo studio si focalizza sulla RC. Il meccanismo di guida della RC è stato esaminato da vari studi teorici, tra cui spicca il “principio di controllo verso il basso” proposto da Haynes et al., che descrive come il flusso meridionale sia indotto dalla forzatura delle onde nelle medie latitudini a seguito della loro rottura e/o dissipazione. Queste onde si propagano dalla troposfera, generando flussi verticali per conservazione della massa nelle latitudini superiori e inferiori. La presenza di forzature attritive al confine inferiore dell’atmosfera permette al flusso di violare la conservazione del momento angolare a livello del suolo, permettendo così che la forzatura delle onde stratosferiche influenzi la circolazione sottostante.

Studi precedenti hanno identificato la forzatura delle onde planetarie nella media stratosfera come il principale driver della RC, evidenziando anche il ruolo significativo delle onde sinottiche nella bassa stratosfera e delle onde di gravità nella mesosfera. Inoltre, è noto che le onde di gravità contribuiscono significativamente alla formazione della RC. Nel presente studio, si analizza il contributo di queste onde alla RC attraverso una sezione trasversale meridionale utilizzando dati di un modello di circolazione chimica del clima (CCM) e confermando i risultati tramite analisi comparativa con i dati di rianalisi ERA-Interim, nei quali sono stati assimilati dati osservativi.

Gli attuali Modelli di Circolazione Chimica del Clima (CCM) prevedono i futuri cambiamenti climatici basandosi sugli scenari delineati dall’IPCC e dalla WMO. Questi scenari includono l’aumento delle concentrazioni dei gas serra (GHG) e delle sostanze che riducono l’ozono. Tali scenari sono dettagliatamente discussi nei rapporti dell’IPCC del 2000 e della WMO/UNEP del 2003, capitolo 6.

Il cambiamento nella circolazione residua (RC), che altera la distribuzione di vari costituenti minori, riveste un’importanza cruciale per il recupero dell’ozono. Le ragioni principali sono due: la prima è legata alla sua capacità di trasporto, e la seconda concerne il riscaldamento/raffreddamento adiabatico, che influisce sulla formazione delle nuvole stratosferiche polari e, di conseguenza, sulla distruzione dell’ozono attraverso reazioni eterogenee.

La letteratura recente, inclusi studi come Butchart et al. (2000, 2006), Garcia e Randel (2008), e McLandress e Shepherd (2009), suggerisce un rafforzamento della BDC. Si prevede generalmente che l’incremento dei GHG alteri l’equilibrio radiativo, provocando un riscaldamento nella troposfera e un raffreddamento nella stratosfera. Queste variazioni di temperatura modificano il campo dei venti di fondo attraverso l’equilibrio del vento termico, incidendo così sulla distribuzione spaziale delle forzature delle onde.

McLandress e Shepherd (2009) hanno osservato un trend di aumento del flusso di massa netto verso l’alto alla quota dei 70 hPa nel XXI secolo, analizzando i dati del Canadian Middle Atmosphere Model (CMAM). Hanno concluso che questo incremento è dovuto principalmente allo spostamento verso l’alto della resistenza delle onde di gravità orografiche (OGWD) intorno ai 70 hPa.

In questo studio, analizziamo il cambiamento nella distribuzione delle forzature delle onde e la sua influenza sull’interannualità del flusso di massa netto verso l’alto. Utilizziamo i dati REF2 del CCSR/NIES CCM, confrontandoli con i risultati di McLandress e Shepherd per offrire una diagnosi basata su un modello diverso.

La configurazione di questo documento è organizzata come segue:

• Nella sezione 2, discutiamo il principio di controllo verso il basso (DC) proposto da Haynes et al. [1991]. In questa sezione, vengono anche derivate alcune formule importanti che sono state impiegate nel corso dello studio.
• La sezione 3 è dedicata alla descrizione del CCM del CCSR/NIES e dei dati ERA-Interim.
• Nella sezione 4, applichiamo la teoria DC per valutare il contributo specifico di diverse tipologie di onde — incluse onde planetarie, sinottiche e di gravità — alla formazione della circolazione residua (RC). Un confronto con i dati di rianalisi serve a confermare i risultati ottenuti.
• Nella sezione 5, analizziamo il trend della RC nel XXI secolo, focalizzandoci sulla funzione di corrente e sul flusso di massa netto verso l’alto, esaminando in particolare gli effetti della resistenza delle onde di gravità sulla RC.
• Le conclusioni e un riassunto degli argomenti trattati sono presentati nella sezione 6.

2. Analisi del Controllo Discendente (DC) [5] Il principio del Controllo Discendente [Haynes et al., 1991] rappresenta un approccio fondamentale per l’analisi dei contributi dei vari tipi di drag zonale alla circolazione media residua. Questo principio stabilisce che, in condizioni di equilibrio, il flusso di massa meridionale extratropicale è determinato unicamente dalla somma totale delle forze zonali applicate sopra la superficie barica considerata. Nel contesto della media euleriana trasformata (TEM) [Andrews et al., 1987], sono state sviluppate diverse formule significative che illustrano l’applicazione del principio DC ai campi medi zonali in stato stazionario.

2.1. La Circolazione Residua

[6] Nella configurazione stabile del sistema TEM (Media Euleriana Trasformata), l’equazione del momento zonale è formulata utilizzando coordinate di log-pressione. In questo contesto, viene considerata la somma di tutte le forze zonali non risolte, come per esempio la dissipazione gravitazionale delle onde (GWD), e la divergenza del flusso di Eliassen-Palm (EPFD), che rappresenta la dispersione delle onde atmosferiche risolte.

Le velocità residue, sia meridionale (v*) che verticale (w*), sono determinate considerando diversi parametri atmosferici: il raggio terrestre, la latitudine, la velocità media zonale del vento, e il parametro di Coriolis, che dipende dalla latitudine e dalla velocità di rotazione terrestre. La densità di riferimento dell’aria e altre variazioni della velocità del vento con la latitudine sono anch’esse considerate per calcolare la differenza nella forza di Coriolis.

[7] L’articolo propone un’analisi dettagliata delle velocità residue attraverso una funzione di flusso definita per descrivere il movimento dell’aria nell’atmosfera. La funzione di flusso, calcolata fino a raggiungere il valore zero nella parte superiore dell’atmosfera, riflette la somma cumulativa dei forzamenti zonali al di sopra di un dato livello di pressione per una specifica latitudine.

Per l’analisi quantitativa, vengono utilizzati diversi pedici: “direct” indica i risultati ottenuti direttamente dall’analisi TEM, mentre “dc”, “gwd” e “epfd” specificano i contributi ai forzamenti zonali rispettivamente da tutte le onde, dalle onde di gravità parametrizzate e dalle onde risolte. Questi pedici facilitano la distinzione tra i diversi tipi di forzamenti analizzati e il loro impatto sulla circolazione atmosferica in studi dedicati all’analisi della circolazione residua.

2.2. Il Flusso di Massa Verticale

[8] Il flusso netto di massa verticale rappresenta una componente cruciale per la comprensione della Circolazione Residua (RC), in quanto corrisponde allo scambio di massa tra troposfera e stratosfera. Seguendo le ricerche di Holton (1990), i flussi di massa verticali mediati su un’area, attraverso una superficie isobarica, vengono calcolati sia per l’emisfero nord (NH) che per quello sud (SH). Questi flussi vengono definiti come Fdirect NH e Fdirect SH.

Le latitudini di inversione (TLs) negli emisferi nord e sud segnano i punti in cui l’ascensione tropicale si trasforma in discesa extratropicale. Sono anche le latitudini dove la funzione di flusso di massa massima è stata identificata, indicando le massime variazioni nella circolazione atmosferica. In queste latitudini, il flusso di massa discendente nelle rispettive stratosfere degli emisferi è prevalentemente negativo.

Il flusso netto di massa discendente per ogni emisfero si basa sulla posizione di questi punti di inversione. Ai poli, dove la funzione di flusso si annulla, si determinano i flussi netti di massa discendente per gli emisferi.

Importante è notare che il flusso netto globale di massa, che include anche il significativo flusso di massa ascendente che si verifica prevalentemente nei tropici, deve bilanciare a zero. La relazione tra i flussi di massa ascendenti e discendenti è determinata solo dalle condizioni alle latitudini di inversione.

Queste analisi di flusso di massa possono anche essere valutate tramite la teoria di Controllo Discendente (DC) applicando la funzione di flusso Ydc esattamente alle latitudini di inversione, dimostrando come la funzione di flusso in queste latitudini sia influenzata esclusivamente dalla forza zonale presente.

3. Descrizione del Modello e del Set di Dati

[9] La simulazione eseguita con il modello CCSR/NIES CCM è stata condotta nell’ambito dell’iniziativa di ricerca Chemistry-Climate Model Validation (CCMVal) del progetto SPARC (Stratospheric Processes And their Role in Climate). Questo modello comprende un modulo di chimica stratosferica interattivo, un sistema di radiativa e altre parametrizzazioni dettagliate. Il modello è strutturato in 34 strati verticali, con spaziature verticali che variano da uno a pochi chilometri e un livello superiore stabilito a 0.012 hPa. Questa configurazione permette una risoluzione verticale di 1-2 km presso il livello di 70 hPa, che è comparabile con quella di altre ricerche come quella di McLandress e Shepherd (2009). La risoluzione orizzontale del modello è di T42 (circa 2.8° x 2.8°).

Le parametrizzazioni delle onde di gravità sono state implementate per considerare gli effetti delle onde su scale più piccole di quelle del grid. La parametrizzazione delle onde di gravità orografiche di McFarlane (1987) e quella non orografica di Hines (1997) sono state integrate nel modello.

I dati utilizzati per questo studio provengono dalla simulazione REF2 del CCMVal, che modella i campi atmosferici del 21° secolo. Le proiezioni per i gas serra, come CO2, CH4 e N2O, sono basate sullo scenario IPCC-A1B, mentre le proiezioni per i gas alogeni seguono lo scenario WMO-Ab. Questi scenari non considerano effetti quali l’oscillazione quasi-biennale, il ciclo solare di 11 anni e le eruzioni vulcaniche. Inoltre, i dati sulla temperatura media mensile della superficie marina provengono da una simulazione del 20° secolo realizzata con un modello di circolazione generale accoppiato atmosfera-oceano (CGCM), sviluppato da CCSR, NIES e il Frontier Research Center for Global Change (FRCGC).

Questo set di dati è particolarmente prezioso per analizzare il clima stratosferico attuale e futuro, nonostante alcune limitazioni, come un significativo bias di freddo nelle regioni tropicali e polari. Per maggiori dettagli sul modello si rimanda agli studi di Akiyoshi et al. (2009, 2010). Le quantità fisiche sono state interpolate su 31 strati verticali per facilitare l’analisi.

3. Analisi dei Periodi Temporali e Confronto dei Dati del Modello

[10] Le analisi climatiche del periodo 2000-2008 sono state condotte come rappresentazione del clima “presente1” nella sezione 4. Nella sezione 5, i periodi 1995-2010 e 2065-2080 sono stati rispettivamente definiti come clima “presente2” e clima “futuro”. Questi periodi includono il clima “presente1”. Lo studio dei cambiamenti climatici a lungo termine è stato realizzato confrontando i climi “presente2” e “futuro”. Durante l’analisi, sono stati stimati i trend lineari per vari parametri dal 2005 al 2070.

[11] La valutazione delle prestazioni del modello CCSR/NIES CCM è stata effettuata attraverso il confronto con i dati di ERA-Interim. I parametri fisici di ERA-Interim utilizzati in questo studio sono stati adattati per avere una risoluzione orizzontale di 3° x 3°, rendendoli comparabili a quelli del CCSR/NIES CCM. La Figura 1 mostra il vento zonale medio nei mesi invernali dell’emisfero nord (dicembre-febbraio) per il clima presente1, utilizzando sia i dati del CCM sia quelli di ERA-Interim. La forza e la posizione dei getti troposferici e stratosferici sono state accuratamente replicate dal CCM. Ad esempio, i getti subtropicali nell’emisfero nord sono localizzati intorno ai 30° di latitudine e a circa 200 hPa, con una velocità di circa 40 metri al secondo. Questo conferma che i risultati ottenuti dall’analisi della Circolazione Residua (RC) con il CCM sono realistici. Tuttavia, il modello tende a sovrastimare leggermente la forza del getto notturno polare rispetto ai dati di ERA-Interim. È importante notare che la struttura del getto è cruciale per la propagazione e la dissipazione delle onde, sia risolte che parametrizzate.

4. Il Contributo del Forzamento delle Onde alla Circolazione di Brewer-Dobson (BDC)

[12] Inizialmente in questa sezione, confermiamo la validità dell’analisi DC confrontando Ydc e Ydirect nelle sezioni trasversali meridionali. Proseguiamo poi con l’esame separato dei contributi delle diverse onde alla formazione della Circolazione Residua (RC), utilizzando i dati del CCM. Analizziamo l’effetto del drag delle onde di gravità attraverso i dati di ERA-Interim, impiegando la teoria DC e confrontandola con i risultati ottenuti dal CCM. Infine, valutiamo il flusso di massa netto ascendente, considerando le variazioni stagionali e i contributi specifici di ogni tipo di drag delle onde.

4.1. Risultati Dall’Analisi dei Dati CCM e Validazione dell’Analisi DC

[13] La Figura 2 illustra le sezioni trasversali meridionali della funzione di flusso di massa, ottenute mediante l’analisi DC e il calcolo diretto per il clima “presente1” durante i mesi invernali (DJF), quando la Circolazione Residua (RC) raggiunge la sua massima intensità. L’analisi DC si rivela appropriata esclusivamente per le stagioni dei solstizi, dato che si basa sull’ipotesi di una condizione di stato stazionario. Inoltre, l’analisi DC non è applicabile ai tropici a causa della presenza di ^f nel denominatore dell’equazione (6). Di conseguenza, le figure da 2a a 2c-2h presentano risultati limitati alle latitudini superiori ai 10°.

[14] È evidente che Ydc, la somma di Yepfd e Ygwd, mostra un’ottima corrispondenza con Ydirect in termini di intensità e posizione. Questa precisa correlazione quantitativa tra Ydc e Ydirect conferma che l’analisi DC fornisce stime accurate della RC nella stratosfera. Di conseguenza, si procede con ulteriori analisi per determinare il contributo di ogni specifico tipo di forza delle onde alla RC.

[15] Struttura Complessiva della Circolazione Residua (RC)

La struttura predominante della RC è influenzata soprattutto dalle onde risolte, particolarmente dalle onde planetarie nell’emisfero nord, fatta eccezione per le medie latitudini, in coerenza con i risultati ottenuti da McLandress e Shepherd [2009]. La cellula di Ydirect nell’emisfero nord si estende significativamente più in alto nella stratosfera rispetto a quella dell’emisfero sud, prevalentemente a causa delle notevoli differenze nel drag delle onde planetarie tra i due emisferi, come mostrato dalla Figura 2d. Le onde planetarie stentano a propagarsi nella stratosfera dell’emisfero estivo, dove dominano i venti orientali. Gli effetti del drag delle onde sinottiche sono confinati alle basse e medie latitudini dell’emisfero nord e non penetrano profondamente nella stratosfera delle medie e alte latitudini (Figura 2e). La circolazione causata dal drag delle onde orografiche (OGWD) si limita principalmente alle medie latitudini dell’emisfero nord (Figura 2g). Le circolazioni indotte da OGWD e EPFD sono comparabili nelle medie latitudini, intorno ai 35°N nella stratosfera inferiore (sotto i 50 hPa). L’effetto del GWD non stazionario (GWD Hines) è generalmente limitato, benché sia significativo nei subtropici (Figura 2h).

[16] Nuove Osservazioni sulla Circolazione Indotta da GWD

Un aspetto rilevante evidenziato nella Figura 2 è che la circolazione indotta dal GWD prevale nella parte di risalita dell’emisfero estivo (circa 20°S) della cellula dell’emisfero invernale (Figura 2f). Questo suggerisce che il GWD svolge un ruolo cruciale nell’estendere la cellula invernale verso l’emisfero estivo. Questa caratteristica non è stata segnalata in studi precedenti.

Figura 1: Confronto delle Sezioni Meridionali della Velocità Media Zonale del Vento

La Figura 1 illustra le sezioni trasversali meridionali della velocità media zonale del vento (u) durante l’inverno nell’emisfero nord (DJF) per il periodo 2000-2008, comparando i risultati tra il modello CCSR/NIES CCM (a) e i dati di ERA-Interim (b). Le linee di contorno sono distanziate di 5 m/s, rappresentando variazioni nella velocità del vento.

Dettagli Visivi:

• Aree ombreggiate: Indicano regioni con venti orientali predominanti.
• Linee di contorno: Mostrano la velocità del vento in metri al secondo a diverse pressioni atmosferiche (in hPa, sull’asse verticale) e latitudini (da 90°S a 90°N, sull’asse orizzontale).

Osservazioni Chiave:

• Altezza e Pressione: La parte superiore delle immagini corrisponde alla stratosfera (pressioni più basse), mentre la parte inferiore mostra la troposfera (pressioni più alte).
• Variabilità Latitudinale: Si nota una variazione dei venti con la latitudine, con venti orientali tipicamente attorno all’equatore e variazioni di direzione nelle latitudini medie e alte.
• Comparazione dei Modelli: Il confronto tra i due pannelli evidenzia come il modello CCM e i dati di ERA-Interim simulino le dinamiche dei venti zonali, pur mostrando alcune differenze nei dettagli specifici della velocità e distribuzione dei venti orientali.

Questa figura è essenziale per valutare la capacità del modello CCM di riprodurre realisticamente i comportamenti dei venti zonali durante l’inverno dell’emisfero nord, confrontando la simulazione con un affidabile set di dati osservativi come ERA-Interim.

Figura 2: Sezioni Meridionali della Funzione di Flusso di Massa Durante l’Inverno Dell’Emisfero Nord (DJF) per il Clima “Presente1” (2000-2008)

La Figura 2 visualizza l’effetto dei diversi tipi di onde sulla funzione di flusso di massa, calcolata attraverso vari approcci e scomposizioni, utilizzando i dati del modello CCM. Ogni pannello esplora una fonte specifica di drag delle onde, con i risultati espressi in kg/m/s:

• (a) DC All: Questo pannello mostra il flusso di massa risultante dall’impiego della teoria DC (Dynamic Control) considerando il contributo di tutte le onde.
• (b) DIRECT: Rappresenta il flusso di massa calcolato direttamente dai dati del modello, servendo come confronto base per gli altri metodi.
• (c) EPFD: Focalizza sui contributi delle onde risolte (Eliassen-Palm Flux Divergence).
• (d) EPFD k=1–3: Visualizza il flusso di massa causato dalle onde risolte con numeri d’onda zonali da 1 a 3.
• (e) EPFD k=4–32: Mostra l’influenza delle onde risolte con numeri d’onda zonali da 4 a 32.
• (f) GWD: Include il flusso di massa derivante da tutte le onde di gravità parametrizzate (somma dei pannelli g e h).
• (g) OGWD: Illustra il flusso di massa indotto dalle onde orografiche di gravità parametrizzate.
• (h) GWD Hines: Mostra il flusso di massa influenzato dalle onde di gravità non stazionarie parametrizzate secondo il metodo di Hines.

Osservazioni Generali:

• Le aree ombreggiate in grigio chiaro indicano regioni senza dati o fuori dall’area di analisi specifica.
• Le linee di contorno con numeri indicano valori specifici del flusso di massa, aiutando a identificare le regioni con maggiore o minore movimento atmosferico.
• Il confronto tra i pannelli aiuta a comprendere l’importanza relativa dei diversi tipi di onde nella modulazione del flusso di massa atmosferica durante l’inverno dell’emisfero nord.

Questa analisi è fondamentale per valutare l’impatto delle varie onde sulla dinamica della circolazione atmosferica e per verificare l’accuratezza delle simulazioni del modello CCM rispetto ai metodi di calcolo diretti e quelli derivati dalla teoria DC.

Figura 3: Analisi Comparativa delle Sezioni Meridionali della Funzione di Flusso di Massa Utilizzando Dati ERA-Interim e CCM

La Figura 3 mostra le sezioni meridionali della funzione di flusso di massa durante i mesi invernali (DJF) per il periodo 2000–2008, comparando l’uso dei dati ERA-Interim (pannelli superiori a, b, c) con quelli del CCM (pannelli inferiori d, e, f). Ogni colonna rappresenta differenti metodologie di calcolo del flusso di massa:

• Colonna 1 (DIRECT):
  • (a) ERA DIRECT e (d) CCM DIRECT: Visualizzano il flusso di massa calcolato direttamente dai dati senza decomporre l’effetto delle onde. Questo serve come riferimento base per gli altri calcoli.
• Colonna 2 (EPFD):
  • (b) ERA EPFD e (e) CCM EPFD: Mostrano il flusso di massa attribuito esclusivamente alle onde risolte attraverso la divergenza del flusso di Eliassen-Palm, escludendo gli effetti delle onde di gravità parametrizzate.
• Colonna 3 (GWD+):
  • (c) ERA GWD+ e (f) CCM GWD+: Rappresentano il flusso di massa stimato come la differenza tra il flusso DIRECT e quello dovuto alle onde risolte (EPFD), isolando così l’effetto delle onde di gravità parametrizzate.

Osservazioni Chiave:

• Linee di Contorno: Le linee continue rappresentano flussi positivi, mentre quelle tratteggiate indicano flussi negativi. I valori numerici su ciascuna linea aiutano a quantificare la magnitudine del flusso.
• Comparazione dei Set di Dati: Questi pannelli permettono di confrontare direttamente la performance del modello CCM con i dati osservativi di ERA-Interim, valutando così l’accuratezza del modello nella rappresentazione dei fenomeni fisici atmosferici.
• Implicazioni per la Modellistica Climatica: L’analisi aiuta a comprendere l’influenza delle diverse tipologie di onde sulla circolazione atmosferica e l’abilità del modello CCM di replicare tali dinamiche rispetto a un dataset consolidato.

Questa figura è cruciale per gli studi sulla dinamica atmosferica e per validare la capacità dei modelli climatici di simulare accuratamente le interazioni complesse nella circolazione globale.

4.2. Stima del Contributo del GWD Utilizzando Dati di Rianalisi

Nel paragrafo [17], si conferma la validità degli esiti analizzati dai dati CCM attraverso l’impiego dei dati ERA-Interim. La funzione di flusso del RC è determinata direttamente e indicata come Ydirect mentre il contributo della divergenza del flusso E-P è calcolato adottando la teoria DC e viene nominato Yepfd. Considerato che Ydirect include gli effetti di tutte le onde presenti nell’atmosfera, è possibile stimare la circolazione indotta dal GWD sottraendo Yepfd da Ydirect. Queste valutazioni sono realizzabili in condizioni di equilibrio stabile poiché, secondo la teoria DC, la funzione di flusso di massa, la velocità residua e il flusso di massa risultano essere proporzionali alla forzatura delle onde, denotata con F.

Nel paragrafo [18], la Figura 3 illustra le funzioni di flusso di massa calcolate tramite il metodo diretto, l’applicazione della teoria DC per le onde risolte e, indirettamente, per le onde di gravità, rispettivamente nelle sottosezioni a, d, b, e, c, f, durante il periodo DJF nell’attuale scenario climatico, analizzando sia i dati ERA-Interim sia quelli CCM. L’analisi proveniente dai dati ERA-Interim mostra una circolazione a due celle, più marcata nell’emisfero nord (NH) rispetto a quella del sud (SH), in coerenza con i risultati ottenuti dai dati CCM.

[19] La determinazione di Y a specifici livelli di pressione si realizza attraverso l’integrazione della resistenza delle onde, partendo dal livello di pressione considerato fino al vertice dell’atmosfera (0 hPa). Tuttavia, i dati mancanti di ERA-Interim impediscono l’ottenimento di informazioni sulla circolazione nella stratosfera superiore oltre i 5 hPa. Di conseguenza, la porzione superiore di Y è significativamente compromessa dalla mancanza di questi dati. Pertanto, le differenze osservate nella stratosfera superiore tra i dati CCM e ERA-Interim non dovrebbero essere interpretate eccessivamente. Inoltre, le differenze regionali tra Ygwd nei dati CCM e Ygwd in ERA-Interim possono essere spiegate da forzature diverse dal GWD, presupposti di stato stazionario e variabilità interannuali in queste regioni. Questi dettagli, però, esulano dagli obiettivi di questa analisi.

[20] Nonostante ciò, le caratteristiche generali della circolazione RC nei dati ERA-Interim per la stratosfera inferiore si mostrano simili a quelle osservate nei dati CCM, validando così i risultati dell’analisi dei dati CCM. Il drag delle onde risolte si rivela un elemento fondamentale per definire la struttura generale della circolazione RC, sebbene si registrino alcune discrepanze nell’attività delle onde planetarie tra i risultati di CCM e ERA-Interim. Ad esempio, l’attività di queste onde nella stratosfera inferiore è più intensa alle basse latitudini e meno accentuata alle alte latitudini nei dati CCM. Inoltre, è rilevante osservare che Ygwd domina la fase di risalita emisferica estiva della cella di circolazione invernale RC, confermando ulteriormente la coerenza con i risultati CCM. Si suggerisce quindi che la circolazione invernale del RC possa estendersi all’emisfero estivo a causa della presenza del GWD.

La Figura 4 presenta il contributo delle diverse forze d’onda al flusso di massa netto verso l’alto, per il periodo invernale DJF, durante il clima attuale (2000-2008), misurato a un livello di pressione di 70 hPa. I dati sono suddivisi in due categorie principali, riferite a due differenti set di dati: ERA (ERA-Interim) e CCM (Chemistry-Climate Model).

Ogni colonna del grafico rappresenta il flusso di massa in diverse modalità di contribuzione:

• DIRECT: mostra il flusso di massa diretto, visualizzato con un riempimento solido grigio. Questo indica la componente principale del flusso di massa.
• EPFD (E-P Flux Divergence): evidenziato con un riempimento a puntini, rappresenta la divergenza del flusso dovuta alle onde di Eliassen-Palm, con un contributo minore.
• GWD* (Gravity Wave Drag, con asterisco): indicato con una barra bianca, si riferisce alla resistenza causata dalle onde di gravità.
• OGWD (Orographic Gravity Wave Drag): mostrato con una barra a righe oblique, corrisponde alla resistenza generata dalle onde di gravità orografiche.
• HINES: evidenziato con una barra a righe diagonali, si tratta di un modello specifico per calcolare la resistenza delle onde.

Dall’analisi si può notare che:

• Il flusso diretto costituisce una porzione significativa del flusso totale in entrambi i dataset, con un maggiore impatto nel CCM rispetto all’ERA.
• EPFD contribuisce modestamente in entrambi i dataset.
• Vi sono differenze evidenti nei contributi di GWD* e OGWD tra i due dataset, indicando la variabilità nell’efficacia di questi modelli nelle due simulazioni.
• HINES appare significativo solo nel dataset CCM, suggerendo una sua specifica applicazione in questo contesto.

Questi dati mostrano come differenti modelli e metodologie influenzano la rappresentazione delle dinamiche atmosferiche, in particolare nel contesto del flusso di massa nella stratosfera.

4.3. Il Ruolo delle Forzature delle Onde nel Flusso di Massa Netto Verso l’Alto [21] I contributi delle forzature delle onde zonali al flusso di massa netto verso l’alto a 70 hPa durante il periodo DJF per il clima attuale sono dettagliatamente illustrati nella Figura 4, utilizzando i dati sia del CCM che dell’ERA-Interim. Si evidenzia che il contributo del GWD è paragonabile a quello dell’EPFD nei dati ERA-Interim, sottolineando l’importanza di entrambe le forzature nella circolazione di massa della stratosfera inferiore. Inoltre, la Figura 4 include una stima indiretta del contributo del GWD a 70 hPa, utilizzando i dati del CCM. Questa stima corrisponde quasi esattamente alla somma dei contributi del GWD orografico parametrizzato e del GWD non orografico, con una precisione dello 0,1%. Questo risultato conferma l’applicabilità dell’analisi DC in DJF per una valutazione accurata del contributo del GWD usando i dati ERA-Interim.

5. La Tendenza della BDC [22] In questa sezione si esplorano i possibili cambiamenti nella RC nel XXI secolo, utilizzando i dati di proiezione del modello CCM dal ciclo REF2. Vengono analizzati i trend lineari relativi al periodo 2005–2070 della funzione di flusso di massa residua. L’analisi rivela come le variazioni a lungo termine dei contributi delle diverse forzature delle onde influenzino il flusso di massa netto verso l’alto.

5.1. Tendenza Lineare della Circolazione di Brewer-Dobson (BDC)

[23] La Figura 5 illustra la tendenza lineare della funzione di flusso di massa media stagionale per il periodo DJF, calcolata sia tramite il metodo diretto che attraverso la teoria DC per ciascun contributo forzante delle onde. Si osserva un’intensificazione della cella NH nella stratosfera inferiore e di una porzione subtropicale della cella SH nella stratosfera inferiore. La tendenza della circolazione residua media annuale, Ydirect, mostra due celle con lo stesso segno del clima attuale, esclusa la regione antartica, indicando un rafforzamento della circolazione residua a quasi tutte le quote. Questo comportamento è coerente con i risultati ottenuti da altre corse del CCM, come riportato da Butchart et al., 2006; McLandress and Shepherd, 2009.

[24] La somiglianza tra Ydirect (Figura 5b) e Ydc (Figura 5a), ad eccezione dei subtropici NH intorno ai 10 hPa, conferma la validità dell’analisi DC per identificare le tendenze. Nella stratosfera inferiore, la tendenza della circolazione guidata dal drag delle onde risolte (Figura 5c) mostra la presenza di due o tre celle nell’NH. Il confronto tra le Figure 5d e 5e evidenzia che le onde planetarie sono le più significative tra le onde risolte. La tendenza osservata per il OGWD mostra una cella positiva nelle latitudini medie dell’NH, più forte della cella negativa dell’EPFD, risultando in una circolazione a singola cella nella stratosfera inferiore dell’NH. Di conseguenza, l’OGWD è cruciale per il rafforzamento della tendenza della RC. Inoltre, il picco positivo della tendenza dell’OGWD nella stratosfera inferiore ha un impatto significativo sulla tendenza del flusso di massa netto verso l’alto, poiché il flusso di massa è determinato unicamente dalla funzione di flusso al TL intorno ai 30°. Gli effetti del drag delle onde sinottiche sono confinati alle basse latitudini della stratosfera inferiore e alle latitudini medie della stratosfera media (Figura 5e). La circolazione indotta dalle onde di gravità non stazionarie presenta una tendenza debole ma in crescita, specialmente per le basse latitudini della stratosfera media in entrambi gli emisferi (Figura 5h).

[25] Nella sezione 4 è stata sottolineata l’importanza del GWD per la circolazione invernale che si estende all’emisfero estivo. Nonostante la tendenza positiva della RC nei subtropici emisferici estivi della stratosfera media (Figura 5b), la tendenza della funzione di flusso stimata attraverso l’analisi di controllo verso il basso è incerta a causa della sua insignificanza (Figura 5a).

La Figura 5 illustra la tendenza lineare della funzione di flusso di massa media durante il periodo invernale DJF dal 2005 al 2070, presentando diverse componenti e forzature della circolazione atmosferica:

1. (a) DC All – Questo pannello mostra la tendenza complessiva della circolazione calcolata attraverso l’analisi di controllo discendente (Downward Control, DC), integrando tutte le forze coinvolte.
2. (b) DIRECT – Rappresenta la tendenza della circolazione derivata direttamente senza suddivisioni per tipo di forza.
3. (c) EPFD – Illustra la tendenza associata alla divergenza del flusso di Eliassen-Palm.
4. (d) EPFD k=1–3 e (e) EPFD k=4–32 – Questi pannelli dividono le tendenze della divergenza del flusso di Eliassen-Palm in base ai numeri d’onda, con (d) che include i numeri d’onda 1-3 e (e) quelli da 4 a 32.
5. (f) GWD – Visualizza la tendenza della funzione di flusso influenzata dalla resistenza delle onde di gravità generica.
6. (g) OGWD – Mostra la tendenza influenzata dalla resistenza delle onde di gravità orografiche.
7. (h) GWD Hines – Presenta la tendenza specifica del modello di resistenza delle onde di gravità di Hines.

Le aree ombreggiate scure indicano regioni dove il livello di confidenza della tendenza è inferiore all’80%, suggerendo una minore affidabilità o chiarezza nei risultati per quelle aree.

Questa rappresentazione dettagliata permette di osservare come diversi tipi di forzature delle onde influenzino le variazioni nella circolazione atmosferica su diverse latitudini e quote, evidenziando zone di significativo cambiamento o di maggiore stabilità nella struttura della circolazione nel tempo previsto.

5.2. Cambiamento a Lungo Termine del Flusso di Massa Netto Verso l’Alto

[26] La Figura 6a mostra le serie temporali del flusso di massa netto verso l’alto a 70 hPa durante il periodo DJF. Questo flusso presenta un ciclo stagionale marcato con un picco in DJF, come evidenziato da Rosenlof nel 1995. La tendenza del flusso di massa netto, denominata Fdirect, è quasi lineare in ogni stagione, in linea con l’incremento osservato nella circolazione residua nei tropici, confermato da studi precedenti di Butchart et al. (2006), Garcia e Randel (2008), e McLandress e Shepherd (2009).

Le curve colorate nella Figura 6 indicano i contributi dei diversi tipi di resistenza delle onde al flusso di massa netto verso l’alto, ottenuti dall’analisi DC per DJF. Sebbene la resistenza delle onde risolte, rappresentata in blu, costituisca più della metà del flusso di massa verso l’alto nelle stagioni dei solstizi nel passato, la tendenza del flusso di massa verso l’alto attribuibile all’OGWD, mostrata in rosa, è comparabile o superiore a quella del drag delle onde planetarie. Questi risultati sono coerenti con quelli ottenuti da McLandress e Shepherd (2009) utilizzando il CMAM.

Per analizzare il contributo di ciascun emisfero al flusso di massa netto verso l’alto, il flusso di massa verso il basso è presentato separatamente per l’emisfero nord (NH) e sud (SH) in DJF nelle Figure 6b e 6c. Il flusso di massa netto verso il basso è maggiore nell’emisfero nord, durante l’inverno, per l’intero periodo 1978-2100, rispetto a quello dell’emisfero sud, durante l’estate. Si notano tendenze positive per il flusso di massa netto verso il basso in tutte le sezioni della Figura 6.

Il contributo del drag delle onde planetarie, indicato in verde, domina i flussi di massa negli emisferi invernali. Tuttavia, la tendenza del contributo dell’OGWD, in rosa, è la più elevata per entrambi gli emisferi. Verso la fine del XXI secolo, il contributo dell’OGWD al flusso di massa diventa comparabile a quello dell’EPFD, mostrato in blu. Questo è un risultato diverso da quello riportato da McLandress e Shepherd nel 2009; nei loro risultati, il contributo dell’OGWD era inferiore a quello dell’EPFD per tutto il XXI secolo.

5.3. Il Meccanismo della Tendenza dell’OGWD

[27] In questa sezione, esaminiamo come l’effetto dell’OGWD cambia durante il XXI secolo. La teoria DC stabilisce che la funzione di flusso della circolazione residua a un dato livello di pressione non è influenzata dal drag delle onde sottostanti. Inoltre, il flusso di massa netto verso l’alto, definito a 70 hPa, dipende unicamente dalla somma del drag delle onde a questo livello. Le distribuzioni verticali di EPFD e OGWD intorno ai 30°N durante il periodo DJF sono rappresentate nella Figura 7. Questa latitudine, corrispondente al livello di 70 hPa nell’emisfero nord, mostra che le differenze tra il clima futuro e quello attuale determinano la tendenza del flusso di massa netto verso l’alto. L’OGWD tra i 70 hPa e i 30 hPa nel clima futuro è notevolmente maggiore, con un aumento dell’ampiezza da 1,25 a 2,73 volte rispetto al clima attuale, mentre le variazioni di EPFD sopra i 70 hPa non sono significative. Queste differenze sono in linea con la tendenza crescente del flusso di massa indotto dall’OGWD e la tendenza non significativa del flusso di massa indotto dall’EPFD in DJF, come mostrato nella Figura 6.

[28] Sono considerati due possibili meccanismi per determinare il cambiamento dell’OGWD. Il primo è una variazione nel flusso del momento della sorgente; il secondo, una modificazione nella distribuzione delle regioni di rottura dell’onda nella sezione trasversale meridionale. Quest’ultimo punto potrebbe riconfermare i risultati di McLandress e Shepherd [2009]. Nel modello CCM, gli effetti delle onde di gravità orografiche sono modellati utilizzando lo schema di parametrizzazione sviluppato da McFarlane [1987]. Le onde di gravità orografiche sono generate da aria stabilmente stratificata che scorre su terreni irregolari, e possono propagarsi liberamente fino a quote elevate prima di essere dissipate o assorbite significativamente. La parametrizzazione del drag delle onde, sviluppata da McFarlane, si basa su una semplice teoria lineare, dove la divergenza del flusso del momento si verifica in concomitanza con la rottura delle onde gravitazionali monocromatiche stazionarie, descritta dall’ipotesi di saturazione dell’onda come proposto da Lindzen [1981].

La Figura 6 presenta le serie temporali del flusso di massa verticale netto durante i mesi invernali di DJF a 70 hPa, suddivise per regioni geografiche: (a) i tropici, (b) l’emisfero nord (NH), e (c) l’emisfero sud (SH). Ogni grafico mostra le stime del flusso di massa calcolate attraverso diverse metodologie e relative a differenti forze d’onda:

• Nero (Calcolo diretto): Rappresenta la stima diretta del flusso di massa senza specificare le forze.
• Rosa (OGWD, Drag orografico delle onde di gravità): Flusso di massa attribuito specificamente al drag orografico.
• Blu (EPFD, Divergenza del flusso di Eliassen-Palm): Indica il contributo della divergenza del flusso di Eliassen-Palm.
• Verde (Drag delle onde planetarie): Mostra l’influenza del drag indotto dalle onde planetarie.
• Giallo (Drag delle onde sinottiche): Rappresenta il drag delle onde sinottiche.
• Rosso (Drag delle onde di gravità non orografiche): Include l’effetto delle onde di gravità che non sono influenzate da orografie.
• Viola (Tutte le forzature d’onda): Combina i contributi di tutti i tipi di drag delle onde.

Punti chiave:

• (a) Tropici: Evidenzia fluttuazioni stagionali significative con variazioni annuali ben visibili e differenze nei contributi relativi delle diverse forze.
• (b) Emisfero Nord (NH): Mostra variazioni simili a quelle dei tropici, ma con differenze nelle magnitudini dei contributi delle varie forze d’onda.
• (c) Emisfero Sud (SH): Rivela una variabilità complessiva più contenuta rispetto a NH e tropici, con alcuni tipi di drag che appaiono relativamente meno influenti.

Questi grafici offrono una visione approfondita su come i diversi tipi di forzature d’onda influenzino il flusso di massa verticale nelle varie parti del mondo e come questi contributi possano cambiare nel tempo.

La Figura 7 illustra i profili verticali del drag delle onde di gravità orografiche (OGWD) e della divergenza del flusso di Eliassen-Palm (EPFD) in una specifica latitudine dell’emisfero nord, indicata come il tropopausa (TL) a 30°N, durante il periodo invernale DJF (Dicembre, Gennaio, Febbraio). I grafici confrontano due periodi temporali:

• Linee solide: rappresentano i risultati futuri, specificamente per il periodo 2065-2080.
• Linee tratteggiate: mostrano i risultati del periodo passato, 1995-2010.

Dettagli visivi della figura:

• Asse verticale: Indica la pressione atmosferica in hPa, che diminuisce con l’incremento dell’altitudine, rappresentando così una scala inversa di altezza.
• Asse orizzontale: Mostra la misura del drag in metri al secondo per giorno, indicando la forza esercitata dalle onde atmosferiche sulla circolazione.

Analisi dei dati presentati:

1. OGWD (Drag delle onde di gravità orografiche):
   • Incremento del drag è osservabile con la diminuzione della pressione (aumento dell’altitudine), con un picco poco sotto i 70 hPa, mostrando un’intensità maggiore nei profili futuri rispetto al passato. Questo suggerisce un aumento previsto nel drag orografico delle onde di gravità.
2. EPFD (Divergenza del flusso di Eliassen-Palm):
   • Aumenta con l’altitudine fino a circa 70 hPa, poi diminuisce. Anche qui, i profili futuri evidenziano una divergenza leggermente superiore, indicando un aumento nell’influenza dell’EPFD.

La linea orizzontale nel grafico segnala l’altezza di 70 hPa, fungendo da riferimento per l’analisi delle variazioni di drag a questa specifica quota.

Questi profili sono cruciali per comprendere come le modifiche previste nell’OGWD e nell’EPFD possano influenzare la circolazione atmosferica su diverse altitudini e come queste forze sono destinate a cambiare tra il presente e il futuro.

La Figura 8 presenta sezioni meridionali delle medie zonali per tre diversi parametri atmosferici durante il periodo invernale DJF, evidenziando le condizioni attuali (rappresentate dalle sfumature di grigio) e le loro tendenze di cambiamento (rappresentate dalle linee di contorno). Ogni pannello illustra componenti specifiche:

1. (a) OGWD TREND (Drag delle onde di gravità orografiche): Questo grafico mostra come il drag delle onde di gravità orografiche varia in funzione della latitudine e dell’altezza. Le aree più scure indicano valori più elevati del drag attuale, mentre le linee di contorno indicano come questo parametro sia previsto aumentare o diminuire nel tempo.
2. (b) EPFD TREND (Divergenza del flusso di Eliassen-Palm): Qui è illustrata la distribuzione e la tendenza della divergenza del flusso di Eliassen-Palm, che è cruciale per comprendere le interazioni dinamiche nella stratosfera.
3. (c) U TREND (Vento zonale): Visualizza la distribuzione e la tendenza del vento zonale, mostrando come i venti che soffiano lungo i paralleli possano cambiare nel tempo.

Le linee orizzontali nelle figure (a) e (b) indicano l’altezza di 70 hPa, utilizzata come punto di riferimento per osservare le variazioni all’interno della stratosfera inferiore e alla tropopausa.

Punti chiave:

• OGWD TREND: Si notano significative variazioni principalmente nelle latitudini medio-alte, suggerendo cambiamenti importanti nella forza delle onde di gravità orografiche che influenzano la circolazione atmosferica in queste zone.
• EPFD TREND: Le tendenze nella divergenza del flusso di Eliassen-Palm sono particolarmente marcate nelle regioni polari, il che potrebbe indicare cambiamenti significativi nei meccanismi di circolazione atmosferica in queste latitudini.
• U TREND: I cambiamenti nel vento zonale si estendono lungo un’ampia gamma di latitudini, riflettendo potenziali variazioni nella distribuzione dei venti globali nel tempo.

Questi grafici offrono una visione chiara su come specifiche dinamiche atmosferiche e i loro cambiamenti previsti possano differire per latitudine e altezza nell’atmosfera.

Flusso di Quantità di Moto alla Fonte delle Onde di Gravità Orografiche

Flusso di quantità di moto e parametrizzazione di McFarlane
Il flusso di quantità di moto generato alla superficie terrestre dalle onde di gravità orografiche, indicato come t, è descritto attraverso la parametrizzazione sviluppata da McFarlane. Questa formula considera l’ampiezza della perturbazione orografica, la densità dell’aria al suolo, la frequenza di Brunt-Väisälä e l’intensità del vento orizzontale alla superficie terrestre.

Riproduzione del flusso e confronto tra clima presente e futuro
Il flusso di quantità di moto è stato ricostruito utilizzando la metodologia sopracitata poiché i dati originari non erano disponibili. Le analisi dimostrano che la variazione del flusso di quantità di moto tra il clima attuale e quello futuro è minore del 5%. Questo risultato implica che l’intensità della fonte delle onde di gravità orografiche non gioca un ruolo predominante nel modificare l’effetto della dissipazione di queste onde sulla circolazione atmosferica nella stratosfera inferiore.

Meccanismi di rottura delle onde e saturazione
Un fattore cruciale nell’indurre la dissipazione delle onde di gravità orografiche è la loro rottura. Questo fenomeno si verifica quando l’ampiezza delle fluttuazioni del vento orizzontale supera il vento medio e si accompagna a una instabilità nella struttura verticale della temperatura. In tali circostanze, il modello di dissipazione delle onde è regolato fino a raggiungere un valore critico, stabilizzando così la stabilità atmosferica. Questo principio è noto come ipotesi della saturazione delle onde, formulata per la prima volta da Lindzen nel 1981. La rottura delle onde è più frequente in condizioni di venti medi deboli, posizionando il massimo della dissipazione delle onde di gravità orografiche sopra il nucleo del getto subtropicale, come discusso in dettaglio da McFarlane nel 1987.

Le tendenze della dissipazione di onde di gravità orografiche (OGWD), della forza di spinta di Eliassen-Palm (EPFD) e del vento zonale medio zonale nella sezione trasversale meridionale della troposfera superiore e della stratosfera inferiore dell’emisfero nord sono rappresentate nella Figura 8. Le ombreggiature mostrano i dati relativi al clima attuale. Nonostante il clima attuale non mostri picchi significativi per EPFD vicino ai 30° sopra i 70 hPa, l’influenza di EPFD è più marcata alle alte latitudini, dovuto ad un aumento della tendenza di EPFD in queste zone. Al contrario, il picco di OGWD si trova nelle latitudini medie vicino ai 70 hPa. Si osserva una tendenza negativa sopra e leggermente verso il polo dal picco attuale, indicativa di un aumento del freno delle onde, mentre una tendenza positiva, indicativa di una diminuzione del freno delle onde, è situata sotto e leggermente verso l’equatore dal picco attuale.

Implicazioni dell’aumento di CO2 e spostamento dei getti subtropicali
Questo spostamento del picco di OGWD è cruciale per incrementare l’accumulo di OGWD sopra i 70 hPa. Questo spostamento appare coerente con il rafforzamento e l’innalzamento del getto subtropicale nel futuro, influenzato dall’aumento dei livelli di CO2. Tale tendenza rispetta l’equilibrio del vento termico, con un cambiamento nel profilo verticale della temperatura; un riscaldamento nella troposfera e un raffreddamento nella stratosfera, risultante in uno spostamento verso l’alto del punto di minima temperatura corrispondente all’altezza della tropopausa. Queste dinamiche climatiche sono state confermate da studi come quelli di Son et al. (2009), McLandress e Shepherd (2009) e brevemente da Garcia e Randel (2008), che hanno discusso le modificazioni nella distribuzione dell’OGWD associate all’aumento dei gas serra.

Riepilogo e Conclusioni Finali

[35] Analisi delle Circolazioni Stratosferiche: Le circolazioni nella stratosfera per il clima attuale1 e i cambiamenti previsti nel 21° secolo sono state esaminate tramite la funzione di flusso e i flussi verticali netti di massa, utilizzando i dati CCSR/NIES CCM REF2. La circolazione residuale (RC) per il clima attuale1 è stata analizzata anche con dati ERA-Interim, al fine di validare il modello.

[36] Contributo delle Onde alla Circolazione Residuale: Abbiamo inizialmente esplorato il ruolo di diverse tipologie di onde sulla RC per il periodo 2000-2008, basandoci sull’analisi DC. È emerso che le onde planetarie sono predominanti soprattutto nella mediostratosfera e alta stratosfera, al di sopra dei 30 hPa e nelle latitudini elevate. L’influenza delle onde su scala sinottica è confinata alle basse e medie latitudini nella bassa stratosfera. Nelle latitudini medie, il contributo delle onde di gravità è comparabile a quello delle onde planetarie, in linea con precedenti studi che hanno impiegato diversi CCM [McLandress e Shepherd, 2009]. Questo studio ha anche rivelato che la GWD, inclusa la OGWD parametrizzata [McFarlane, 1987] e la GWD non stazionaria [Hines, 1997], influenzano significativamente la formazione del ramo ascendente estivo emisferico della circolazione invernale in DJF, un aspetto non precedentemente documentato. La circolazione indotta dalla GWD nell’atmosfera reale può essere valutata sottraendo Yepfd da Ydirect con dati ERA-Interim, che, basandosi su osservazioni, includono implicitamente gli effetti della GWD. I risultati Ygwd confermano i dati CCM riguardo l’importanza della GWD nelle medie latitudini della bassa stratosfera e nei subtropici emisferici estivi. Si conclude quindi che la GWD nella bassa stratosfera è essenziale per la formazione della circolazione di Brewer-Dobson (BDC).

[37] Tendenze della Funzione di Flusso di Massa nei CCM: Abbiamo esaminato le tendenze della circolazione residuale (RC) per il 21° secolo, rilevando un incremento nelle funzioni di flusso di massa per il periodo 2005-2070, in accordo con numerosi studi precedenti che hanno impiegato i CCM. Abbiamo specificatamente valutato l’impatto del drag delle onde sulla RC durante i mesi invernali (DJF). Nella bassa stratosfera, la tendenza di Yepfd mostra la formazione di due o tre celle nell’emisfero nord, mentre Ygwd presenta una grande cella positiva nelle medie latitudini. Di conseguenza, la tendenza della circolazione stratosferica inferiore nell’emisfero nord appare come una struttura monocellulare; si prevede un’accelerazione della RC nel 21° secolo in tutte le latitudini attraverso l’integrazione di vari tipi di onde.

[38] Tendenza del Flusso di Massa Netto Verso l’Alto: Il flusso di massa netto verso l’alto, determinato unicamente dalla funzione di flusso al TL, evidenzia un aumento in tutte le stagioni, parallelo a quello della funzione di flusso. L’analisi del contributo delle forze delle onde alla tendenza di questo flusso in DJF ha mostrato che la tendenza dell’OGWD ha un’influenza significativa sulla tendenza del flusso di massa netto verso l’alto, mentre la tendenza del flusso di massa indotto dall’EPFD non risulta particolarmente rilevante, nonostante anche per l’EPFD si registri un incremento notevole nel flusso di massa netto secondo i dati CMAM [McLandress e Shepherd, 2009]. Si conclude quindi che il contributo dell’OGWD all’accelerazione della circolazione di Brewer-Dobson (BDC) nel tardo 21° secolo è comparabile o superiore a quello dell’EPFD.

[39] La tendenza del flusso di massa netto verso l’alto in DJF è stata prevalentemente attribuita alla OGWD al TL nell’emisfero nord. Il meccanismo di cambiamento della OGWD è esplorato in dettaglio. Nonostante una piccola differenza nel flusso di quantità di moto di massa della sorgente di OGW tra il clima futuro e il presente2, si osserva un significativo aumento della OGWD sopra i 70 hPa al TL. Questo aumento è stato collegato allo spostamento verso l’alto del getto subtropicale, associato allo spostamento verso l’alto della tropopausa in risposta all’incremento dei gas serra, come prospettato dagli scenari dell’IPCC [2000] per il 21° secolo. Questo meccanismo risulta coerente con gli studi di McLandress e Shepherd [2009] e Garcia e Randel [2008].

[40] Nel presente articolo, abbiamo esaminato il contributo di varie onde alla circolazione residua utilizzando la teoria DC. Tuttavia, l’applicazione dell’analisi DC può risultare problematica durante le stagioni degli equinozi, quando l’ipotesi di uno stato stazionario può non essere valida. È necessaria una teoria più generalizzata per esplorare la variabilità stagionale della BDC. Per i futuri studi, sarà interessante analizzare la variabilità interannuale e stagionale della BDC utilizzando dati di ri-analisi. Studi osservativi recenti non hanno evidenziato un’accelerazione della BDC [Engel et al., 2009]. Nonostante ciò, la maggior parte dei CCM, incluso il modello attuale, hanno simulato un’accelerazione della BDC. È essenziale analizzare più dettagliatamente la BDC in termini di RC e di miscelazione per chiarificare i meccanismi coinvolti. Inoltre, è importante anche indagare la RC nella mesosfera, focalizzandosi sulla connessione tra la stratosfera e la mesosfera.

http://dx.doi.org/10.1029/2010JD014953