La variabilità del vortice polare stratosferico boreale costituisce uno degli elementi fondamentali della dinamica atmosferica invernale dell’emisfero settentrionale, poiché le modificazioni della sua intensità, struttura e persistenza possono influenzare non soltanto la circolazione della stratosfera, ma anche l’evoluzione della troposfera extratropicale nelle settimane successive. In questo contesto, particolare attenzione è stata rivolta negli ultimi decenni alle teleconnessioni provenienti dalle regioni tropicali e, in particolare, all’oscillazione quasi-biennale dei venti equatoriali stratosferici, QBO, e all’El Niño–Southern Oscillation, ENSO. Lo studio di Ermakova et al. pubblicato nel 2025 su Atmosphere, intitolato Analyzing Stratospheric Polar Vortex Strength and Persistence Under Different QBO and ENSO Phases: Insights from the Model Study, si inserisce direttamente in questa linea di ricerca e affronta un problema particolarmente importante: comprendere se e in quale misura la risposta del vortice polare dipenda non dalla QBO o dall’ENSO considerati isolatamente, ma dalla specifica combinazione delle rispettive fasi e dalla fase stagionale dell’inverno boreale.
Il lavoro utilizza il modello non lineare della circolazione generale della media e alta atmosfera MUAM, Middle and Upper Atmosphere Model, attraverso quattro gruppi di simulazioni di ensemble, ciascuno composto da dieci integrazioni, corrispondenti alle combinazioni El Niño–eQBO, El Niño–wQBO, La Niña–eQBO e La Niña–wQBO. L’analisi è condotta separatamente per gennaio e febbraio, una scelta metodologica rilevante perché l’evoluzione stagionale del vortice polare modifica progressivamente lo stato di fondo sul quale agiscono le onde planetarie e le forzanti tropicali. Gli autori analizzano non soltanto il vento zonale, utilizzato come indicatore dell’intensità del vortice, ma anche temperatura, divergenza del flusso di Eliassen–Palm e circolazione media residua, permettendo così di interpretare le anomalie del vortice all’interno del più ampio sistema dinamico di interazione tra onde e flusso medio.
La QBO rappresenta la più importante modalità di variabilità interannuale della stratosfera tropicale. È caratterizzata dall’alternanza di regimi di venti zonali orientali e occidentali che discendono progressivamente attraverso la stratosfera equatoriale, con un periodo medio vicino ai 28 mesi. Nonostante la sua origine tropicale, la QBO possiede teleconnessioni che raggiungono le medie e alte latitudini modificando la propagazione delle onde planetarie di Rossby e, indirettamente, la circolazione del vortice polare. La connessione classica tra QBO e vortice è tradizionalmente descritta attraverso il cosiddetto effetto Holton–Tan. Nella sua formulazione generale, una QBO orientale nella bassa stratosfera tende a essere associata a un vortice polare boreale mediamente più debole, caldo e disturbato, mentre una QBO occidentale favorisce statisticamente un vortice più intenso e freddo. L’interpretazione dinamica originaria attribuiva tale comportamento allo spostamento latitudinale della linea del vento zonale nullo nelle regioni subtropicali, capace di modificare la regione accessibile alla propagazione delle onde planetarie. Studi successivi hanno mostrato che il meccanismo è più complesso e coinvolge anche la circolazione meridionale secondaria associata alla QBO, le modificazioni dell’indice di rifrazione delle onde planetarie e l’interazione tra le anomalie del vento zonale subtropicale e i flussi d’onda provenienti dalla troposfera.
La relazione QBO–vortice non deve tuttavia essere interpretata come deterministica. Anstey e Shepherd hanno sottolineato come l’intensità della teleconnessione dipenda dalla struttura verticale della QBO, dalla stagione e dall’interazione con altre sorgenti di variabilità, tra cui ENSO e il ciclo solare. Ciò significa che l’indicazione secondo cui eQBO favorirebbe un vortice debole rappresenta essenzialmente una relazione climatologica e probabilistica: durante un singolo inverno, altre forzanti possono rafforzarla, indebolirla o persino produrre configurazioni apparentemente opposte.
ENSO costituisce l’altra componente fondamentale del problema. Le anomalie della temperatura superficiale del Pacifico tropicale modificano profondamente la convezione equatoriale e, attraverso quest’ultima, la distribuzione delle sorgenti troposferiche delle onde planetarie. Durante molti episodi di El Niño viene osservata una maggiore propagazione verso l’alto dell’attività ondulatoria dalle medie latitudini verso la stratosfera, accompagnata da un rafforzamento della circolazione di Brewer–Dobson, da temperature relativamente più basse nella bassa stratosfera tropicale e più elevate nella stratosfera polare e da un indebolimento medio del vortice artico. La revisione di Domeisen et al. mostra come questa via stratosferica rappresenti una delle componenti attraverso cui ENSO può influenzare la circolazione extratropicale dell’emisfero settentrionale. Per La Niña sono frequentemente osservate anomalie di segno opposto, anche se la risposta appare meno lineare e più dipendente dal campione analizzato, dalla classificazione degli eventi ENSO e dallo stato atmosferico concomitante.
La propagazione verticale delle onde planetarie rappresenta il collegamento fisico centrale tra queste diverse componenti del sistema. Le onde di Rossby generate nella troposfera possono propagarsi nella stratosfera soltanto quando il campo del vento zonale presenta condizioni dinamiche favorevoli. Quando tali onde raggiungono la stratosfera e depositano quantità di moto attraverso dissipazione o rottura, esercitano una decelerazione sui venti occidentali del vortice. L’interazione onda–flusso produce inoltre una risposta della circolazione meridionale residua, con moto discendente alle alte latitudini e conseguente riscaldamento dinamico della stratosfera polare. Quando il forcing ondulatorio diventa particolarmente intenso, questa sequenza può culminare in un riscaldamento stratosferico improvviso, o SSW, durante il quale il vortice viene fortemente perturbato e, negli eventi maggiori, i venti occidentali climatologici a 10 hPa e 60° N possono invertirsi. La grande revisione di Baldwin et al. ha ribadito che gli SSW rappresentano essenzialmente manifestazioni estreme dell’interazione non lineare fra onde planetarie e circolazione zonale stratosferica e che le loro conseguenze possono estendersi verso il basso, modificando jet stream, storm track e modalità anulari per settimane dopo l’evento.
È proprio all’interno di questo quadro dinamico che i risultati di Ermakova et al. assumono particolare interesse. Nel modello MUAM, la combinazione La Niña–wQBO produce il vortice polare più intenso e persistente sia in gennaio sia in febbraio. In febbraio l’anomalia positiva del vento zonale nella stratosfera delle alte latitudini raggiunge circa 18 m/s rispetto alla media dell’ensemble. La stessa configurazione è associata a temperature polari stratosferiche relativamente basse e a una forte risposta della circolazione media residua. Gli autori riscontrano inoltre anomalie significative nella divergenza del flusso di Eliassen–Palm, indicando una diversa distribuzione dell’interazione tra onde planetarie e flusso zonale. Nel loro insieme, questi risultati descrivono una configurazione nella quale due influenze statisticamente favorevoli al mantenimento di un vortice intenso – La Niña e QBO occidentale – possono cooperare nel rendere la circolazione polare stratosferica particolarmente robusta.
Questa conclusione possiede un interessante riscontro nella letteratura osservativa e modellistica. Kumar et al., analizzando quarant’anni di ERA-Interim tra il 1979 e il 2018, hanno mostrato che durante la QBO occidentale il vortice polare tende a rafforzarsi e che il segnale della QBO può essere amplificato in presenza di La Niña. Gli autori hanno inoltre identificato due possibili vie attraverso cui la QBO influenza l’emisfero invernale: una via stratosferica, legata principalmente alla propagazione e all’assorbimento delle onde planetarie e all’effetto Holton–Tan, e una via troposferica, associata alle modificazioni indotte dalla circolazione meridionale della QBO nella regione tropicale e subtropicale dell’alta troposfera e della bassa stratosfera.
La ricerca più recente del progetto internazionale QBOi, pubblicata da Naoe et al. nel 2025, aggiunge però un elemento fondamentale di cautela. Utilizzando nove modelli atmosferici e del sistema Terra in esperimenti controllati con condizioni idealizzate di El Niño, La Niña ed ENSO neutrale, gli autori hanno confrontato la teleconnessione QBO–vortice con quella ricavata dalle osservazioni ERA5. Nelle rianalisi, il vortice polare risulta effettivamente più forte durante QBO-W rispetto a QBO-E nelle diverse fasi ENSO e la differenza appare particolarmente marcata durante La Niña, raggiungendo circa 15 m/s nella media stratosfera. Tuttavia, numerosi modelli del progetto QBOi riproducono questo collegamento soltanto parzialmente, spesso con un’ampiezza inferiore a quella osservata. Una spiegazione proposta riguarda la tendenza di diversi modelli a simulare una QBO troppo debole nella bassa stratosfera, proprio nella regione intorno a 50 hPa ritenuta particolarmente importante per la teleconnessione con il vortice polare.
Questo confronto è importante anche per interpretare correttamente i risultati ottenuti con MUAM. Un singolo sistema modellistico permette di isolare i processi dinamici e di costruire esperimenti controllati difficilmente realizzabili attraverso il limitato archivio osservativo, ma non elimina le incertezze associate alla rappresentazione delle onde, alla QBO simulata, alla circolazione media e alla variabilità interna del vortice. Di conseguenza, la conclusione secondo cui La Niña–wQBO costituisce la configurazione meno favorevole agli SSW deve essere intesa come un risultato specifico e fisicamente coerente dello studio, sostenuto da elementi della letteratura precedente, ma non come una regola deterministica applicabile a ogni inverno reale.
Ancora più interessante è il comportamento simulato durante El Niño. Ermakova et al. rilevano infatti una marcata dipendenza mensile della risposta del vortice alla fase della QBO. In gennaio, la combinazione El Niño–eQBO determina il maggiore indebolimento della circolazione media residua insieme al vortice stratosferico più debole e caldo. Questa configurazione è anche quella maggiormente coerente con il tradizionale quadro nel quale El Niño favorisce una maggiore attività ondulatoria stratosferica mentre la QBO orientale predispone il vortice a una maggiore perturbabilità. Nelle simulazioni, gli SSW maggiori con inversione del vento zonale risultano infatti particolarmente frequenti durante El Niño associato alla QBO orientale nel mese di gennaio.
Il quadro cambia però nel mese di febbraio. Durante la parte più avanzata dell’inverno, la massima debolezza e il maggiore riscaldamento del vortice si manifestano nel modello sotto condizioni El Niño–wQBO e non più El Niño–eQBO. L’anomalia del vento zonale alle alte latitudini raggiunge circa −12 m/s rispetto alla media dell’ensemble e le regioni di convergenza e divergenza del flusso EP indicano una significativa interazione tra onde planetarie e flusso medio. Gli autori osservano inoltre che alcuni SSW iniziati a fine gennaio possono lasciare il vortice in uno stato perturbato per diverse settimane; di conseguenza, parte dell’anomalia osservata in febbraio può rappresentare non soltanto la risposta istantanea alla configurazione QBO–ENSO, ma anche la memoria dinamica dell’evoluzione avvenuta nelle settimane precedenti.
Questo risultato evidenzia una caratteristica essenziale del sistema stratosferico: l’effetto della QBO sul vortice non è statico durante l’inverno. Il vortice cambia intensità climatologica, posizione e suscettibilità alle onde planetarie tra l’inizio e la fine della stagione; contemporaneamente, la struttura verticale della QBO evolve per effetto della sua propagazione discendente. Anche il forcing troposferico associato a ENSO e la distribuzione delle onde planetarie possono subire una marcata evoluzione stagionale. Il segnale risultante deriva pertanto dall’interazione tra uno stato di fondo che cambia continuamente e forzanti che possiedono a loro volta una struttura tridimensionale e temporale complessa.
Gli esperimenti QBOi pubblicati nel 2025 offrono un interessante parallelo. Nelle rianalisi ERA5, Naoe et al. hanno riscontrato che la teleconnessione QBO–vortice mostra una maggiore espressione durante la prima parte dell’inverno negli anni di El Niño, mentre durante La Niña il segnale diviene relativamente più evidente nella parte avanzata della stagione. I modelli, tuttavia, non riescono sempre a riprodurre questa evoluzione stagionale, confermando quanto sia difficile simulare correttamente la combinazione tra QBO, ENSO, onde planetarie e vortice polare.
Anche la relazione fra ENSO e frequenza degli SSW è più complessa di una semplice equazione nella quale El Niño implicherebbe numerosi riscaldamenti e La Niña pochi. Butler e Polvani, analizzando 53 anni di rianalisi, mostrarono che gli SSW maggiori erano complessivamente più frequenti durante gli inverni caratterizzati da condizioni ENSO rispetto agli inverni neutri e trovarono, nel campione allora disponibile, frequenze comparabili tra El Niño e La Niña. Questo risultato mise in evidenza il ruolo della variabilità interna e la forte sensibilità delle statistiche al periodo osservativo.
Le analisi QBOi più recenti confermano tale complessità. In ERA5, la frequenza degli SSW varia sia con ENSO sia con la QBO, ma i modelli non riproducono sempre correttamente queste differenze. In particolare, molti modelli simulano più SSW negli esperimenti idealizzati di El Niño rispetto a quelli di La Niña, ma mostrano differenze relativamente modeste tra QBO orientale e occidentale, in contrasto con la più forte sensibilità osservata nelle rianalisi. Questo problema evidenzia una delle principali sfide della modellistica stratosferica contemporanea: per rappresentare realisticamente le teleconnessioni alle alte latitudini non è sufficiente generare semplicemente una QBO, ma è necessario riprodurne correttamente ampiezza, struttura verticale, propagazione temporale e interazione con il campo ondulatorio extratropicale.
Il flusso di Eliassen–Palm analizzato da Ermakova et al. è particolarmente utile per comprendere questa transizione. Nella formulazione della dinamica stratosferica, esso permette di diagnosticare il trasporto di quantità di moto associato alle onde planetarie e la loro interazione con la circolazione zonale. Una maggiore convergenza del flusso EP alle alte latitudini è generalmente associata a una maggiore decelerazione dei venti occidentali stratosferici; questa modifica del flusso medio induce una risposta della circolazione residua che produce subsidenza e riscaldamento dinamico sopra la regione polare. Al contrario, quando l’interazione ondulatoria è meno efficace, il vortice può conservare venti occidentali più intensi, temperature inferiori e una maggiore isolamento dinamico dell’aria polare. Gli esperimenti di Ermakova et al. mostrano pertanto che le differenze fra le combinazioni QBO–ENSO non riguardano semplicemente la velocità del vento, ma coinvolgono l’intera catena dinamica che collega onde planetarie, circolazione residua e struttura termica della media atmosfera.
L’importanza della circolazione media residua emerge anche dalle anomalie verticali di temperatura simulate dal modello. Durante La Niña–wQBO, il rafforzamento della circolazione dall’emisfero estivo verso quello invernale è associato a un’intensificazione della struttura termodinamica caratterizzata da una stratosfera polare più fredda e da anomalie positive di temperatura nella mesosfera. Nelle configurazioni caratterizzate dal maggiore indebolimento del vortice avviene invece una riorganizzazione della circolazione accompagnata dal riscaldamento stratosferico e da anomalie mesosferiche di segno opposto. Questa risposta verticale ricorda una proprietà ben nota degli SSW: un forte riscaldamento della stratosfera polare è frequentemente accompagnato da raffreddamento mesosferico e da una riorganizzazione della circolazione che può estendersi attraverso gran parte dell’atmosfera media.
Le conseguenze potenziali non terminano alla tropopausa. Quando un forte disturbo del vortice o un SSW modifica profondamente la circolazione stratosferica, l’anomalia può propagarsi verso il basso e influenzare il regime del Northern Annular Mode e dell’Oscillazione Nord Atlantica. Dopo alcuni SSW aumenta statisticamente la probabilità di configurazioni caratterizzate da pressioni relativamente elevate nell’Artico e da uno spostamento verso sud della corrente a getto atlantica, condizioni che possono favorire episodi di freddo in alcune regioni dell’Eurasia o del Nord America. Tuttavia, non tutti gli SSW producono la stessa risposta troposferica e soprattutto non è corretto interpretare la presenza di El Niño o di una determinata fase QBO come previsione diretta di un’ondata di freddo. Il collegamento è probabilistico e passa attraverso una complessa sequenza di processi dinamici. La letteratura sugli SSW sottolinea infatti come l’impatto alla superficie vari considerevolmente da evento a evento.
Dal punto di vista della prevedibilità stagionale e sub-stagionale, tuttavia, la QBO possiede un vantaggio significativo: la sua lenta evoluzione rende la fase dei venti stratosferici equatoriali prevedibile con molti mesi di anticipo. ENSO presenta anch’esso una sostanziale persistenza stagionale e può essere previsto con discreta abilità su scale temporali di diversi mesi. Combinare queste due informazioni con lo stato del vortice, l’attività delle onde planetarie, la copertura nevosa, l’MJO e altri elementi della circolazione troposferica potrebbe quindi migliorare la rappresentazione probabilistica del rischio di forti perturbazioni stratosferiche. La QBO è infatti considerata una significativa sorgente di prevedibilità proprio grazie alle sue teleconnessioni extratropicali, anche se la capacità dei modelli di riprodurre correttamente tali teleconnessioni rimane inferiore a quella suggerita dalle osservazioni.
Un aspetto essenziale riguarda tuttavia i limiti metodologici dello studio di Ermakova et al., che devono essere considerati prima di estenderne le conclusioni alla variabilità atmosferica osservata. In primo luogo, i risultati derivano da un singolo modello di circolazione generale della media e alta atmosfera e sono quindi inevitabilmente condizionati dalle caratteristiche specifiche del MUAM, dalla sua risoluzione, dalle parametrizzazioni utilizzate per rappresentare i processi sub-grid e dalla capacità del modello di riprodurre realisticamente l’ampiezza e la struttura verticale della QBO, la propagazione delle onde planetarie e la climatologia del vortice polare. Inoltre, ciascuna combinazione QBO–ENSO comprende soltanto dieci simulazioni di ensemble: un campione utile per identificare segnali sistematici, ma relativamente limitato rispetto alla grande variabilità interna della stratosfera e alla natura episodica degli SSW. La separazione dell’analisi nei soli mesi di gennaio e febbraio permette di evidenziare importanti differenze intrastagionali, ma non descrive l’intera evoluzione del vortice dall’inizio dell’inverno fino al breakdown finale primaverile. Anche l’impostazione idealizzata delle condizioni ENSO e QBO, necessaria per isolare i rispettivi contributi, non può riprodurre completamente la varietà degli eventi reali: El Niño e La Niña differiscono infatti considerevolmente per intensità, localizzazione delle anomalie della temperatura superficiale del mare, struttura della convezione tropicale e interazione con altre modalità di variabilità quali MJO, Indian Ocean Dipole e variabilità nord-pacifica. Analogamente, classificare la QBO semplicemente come orientale o occidentale non esaurisce l’informazione contenuta nella sua struttura verticale, poiché la profondità e la quota delle shear zones possono modificare sensibilmente la teleconnessione extratropicale. Un’ulteriore cautela riguarda l’interpretazione della frequenza degli SSW: il numero relativamente ridotto di eventi in ciascun ensemble rende difficile tradurre le differenze simulate in robuste probabilità climatologiche. Infine, le anomalie osservate in febbraio possono risentire della memoria di eventi verificatisi a gennaio, rendendo complessa la separazione tra risposta diretta alle condizioni QBO–ENSO e persistenza dello stato stratosferico precedente. Questi limiti non riducono il valore dinamico dello studio, ma suggeriscono che i risultati dovrebbero essere verificati attraverso ensemble più ampi, confronti multi-modello, rianalisi atmosferiche e simulazioni capaci di rappresentare differenti tipologie e intensità di ENSO e differenti strutture verticali della QBO.
Lo studio di Ermakova et al. deve pertanto essere interpretato non come una nuova regola rigida secondo cui una specifica combinazione ENSO–QBO determinerà inevitabilmente un vortice forte o debole, ma come un’ulteriore dimostrazione dell’esistenza di una marcata interdipendenza tra variabilità tropicale e dinamica polare. Il risultato probabilmente più significativo è proprio la diversa risposta ottenuta nei due mesi analizzati. Durante La Niña, la QBO occidentale favorisce nel modello il vortice più intenso, freddo e persistente sia in gennaio sia in febbraio, configurazione nella quale gli SSW risultano meno favoriti. Durante El Niño, invece, la sensibilità alla QBO aumenta considerevolmente e mostra una marcata evoluzione stagionale: in gennaio la configurazione maggiormente favorevole all’indebolimento del vortice è El Niño–eQBO, mentre in febbraio il segnale più intenso emerge durante El Niño–wQBO.
Questa apparente inversione non invalida il paradigma Holton–Tan, ma dimostra quanto sia insufficiente interpretarlo al di fuori del contesto dinamico e stagionale. La risposta del vortice polare emerge dall’interazione simultanea tra struttura verticale della QBO, fase dell’ENSO, propagazione delle onde planetarie, condizioni della corrente a getto troposferica, stato precedente del vortice e variabilità atmosferica interna. Gli studi più recenti del progetto QBOi mostrano inoltre che persino i moderni modelli climatici faticano a rappresentare pienamente questa catena di processi e tendono in molti casi a sottostimare la risposta del vortice alla QBO.
Nel complesso, il lavoro di Ermakova e colleghi rafforza una visione sempre più consolidata della stratosfera invernale come parte di un sistema atmosferico globalmente connesso, nel quale anomalie originate nel Pacifico tropicale e variazioni dei venti equatoriali stratosferici possono contribuire a modificare, attraverso differenti percorsi dinamici, la circolazione a migliaia di chilometri di distanza. Il vortice polare non risponde quindi a un singolo indice climatico, ma all’interferenza di molteplici segnali che modificano la propagazione delle onde e il bilancio della quantità di moto. È precisamente questa interazione a rendere la previsione degli SSW e della successiva risposta troposferica estremamente complessa, ma anche potenzialmente più prevedibile quando QBO, ENSO e stato della stratosfera vengono considerati congiuntamente. La principale indicazione che emerge dallo studio del 2025 è dunque che la fase tropicale non può essere interpretata senza tener conto del momento stagionale: la stessa configurazione QBO può produrre effetti diversi tra gennaio e febbraio perché cambia l’intero ambiente dinamico attraverso cui vengono trasmesse le teleconnessioni. Questa prospettiva rappresenta un importante passo verso una previsione stratosferica meno basata su associazioni semplicistiche e maggiormente fondata sull’interazione tra processi tropicali, propagazione ondulatoria, circolazione residua e stato evolutivo del vortice polare.
1. Introduzione
Nel contesto del cambiamento climatico globale e del crescente interesse verso la prevedibilità atmosferica alle scale sub-stagionali e stagionali, lo studio della circolazione non può più essere limitato ai processi che si sviluppano all’interno della troposfera. L’atmosfera terrestre costituisce infatti un sistema dinamicamente accoppiato nel quale perturbazioni originate nella troposfera tropicale possono propagarsi verso la stratosfera e la mesosfera, mentre anomalie della circolazione stratosferica possono successivamente esercitare un’influenza verso il basso, modificando la corrente a getto, le storm track, le modalità anulari e, in determinate circostanze, la distribuzione delle anomalie termiche e bariche alla superficie. Questa concezione dell’atmosfera come sistema verticalmente e meridionalmente interconnesso ha assunto particolare importanza per la previsione stagionale, poiché alcuni fenomeni caratteristici della stratosfera possiedono scale temporali relativamente lunghe e possono quindi costituire sorgenti di prevedibilità oltre l’orizzonte tipicamente consentito dall’evoluzione caotica della troposfera. I riscaldamenti stratosferici improvvisi, la variabilità del vortice polare e l’oscillazione quasi-biennale rappresentano esempi emblematici di processi attraverso i quali la media atmosfera può contribuire alla prevedibilità meteorologica e climatica su periodi compresi tra diverse settimane e alcuni mesi. La moderna ricerca sulla dinamica stratosfera–troposfera sottolinea inoltre che gli eventi stratosferici estremi non devono essere considerati fenomeni isolati, ma il risultato dell’interazione tra onde planetarie provenienti dalla troposfera, struttura del vento zonale stratosferico, circolazione meridionale e variabilità tropicale.
Tra le principali sorgenti di variabilità della stratosfera tropicale, l’oscillazione quasi-biennale, QBO, occupa una posizione centrale. Essa consiste nell’alternanza di regimi di venti zonali occidentali e orientali che si formano nella stratosfera equatoriale superiore e discendono progressivamente verso quote inferiori. Il ciclo completo presenta una durata variabile, generalmente compresa tra circa 22 e 34 mesi, con un periodo medio vicino a 28 mesi. La QBO deriva fondamentalmente dall’interazione tra la circolazione zonale media e un ampio spettro di onde atmosferiche generate prevalentemente nella troposfera tropicale. Queste onde trasportano quantità di moto verticalmente e, dissipandosi o raggiungendo i propri livelli critici, accelerano alternativamente il flusso verso est o verso ovest. Ne deriva la caratteristica propagazione discendente delle shear zones che distingue la QBO da una semplice oscillazione locale del vento. Sebbene il massimo segnale della QBO sia osservato nella stratosfera equatoriale, le sue conseguenze dinamiche si estendono ben oltre i tropici e interessano la circolazione subtropicale, le regioni extratropicali, la mesosfera e, attraverso differenti meccanismi di accoppiamento, anche la troposfera. La QBO deve pertanto essere considerata non soltanto come una modalità tropicale della circolazione stratosferica, ma come una componente del sistema atmosferico globale capace di modificare la propagazione delle onde e la risposta della circolazione a grande distanza dalla regione equatoriale.
Uno degli aspetti più studiati della QBO riguarda precisamente la sua relazione con il vortice polare stratosferico dell’emisfero settentrionale. La connessione statistica tra la fase dei venti equatoriali e l’intensità della circolazione polare invernale è generalmente indicata come effetto Holton–Tan. Nella sua espressione climatologica più nota, la fase orientale della QBO, eQBO, tende a essere associata a un vortice polare mediamente più debole e caldo, mentre durante la fase occidentale, wQBO, il vortice tende a risultare più intenso e freddo. Questo comportamento non implica tuttavia una relazione deterministica. La QBO modifica infatti lo stato di fondo attraverso cui le onde planetarie provenienti dalla troposfera si propagano verso la stratosfera. Variazioni dei venti subtropicali possono alterare l’indice di rifrazione delle onde, la posizione delle regioni critiche e la quantità di attività ondulatoria capace di raggiungere le alte latitudini. Durante condizioni favorevoli, una maggiore propagazione e successiva dissipazione delle onde planetarie nella stratosfera polare trasferisce quantità di moto al flusso medio, rallentando i venti occidentali del vortice e favorendo attraverso la circolazione residua una maggiore subsidenza e un riscaldamento dinamico sopra l’Artico. Durante condizioni opposte, il forcing ondulatorio può risultare meno efficace e il vortice mantenersi più intenso. La revisione di Anstey e Shepherd ha tuttavia evidenziato come il meccanismo Holton–Tan dipenda dalla struttura verticale della QBO, dalla stagione e dall’interazione con altre sorgenti di variabilità, rendendo insufficiente una classificazione basata esclusivamente sul segno del vento a un singolo livello atmosferico.
Questa complessità è particolarmente importante perché il vortice polare dell’emisfero settentrionale possiede una forte variabilità intrinseca. Durante l’inverno boreale, la circolazione stratosferica è dominata da intensi venti occidentali circumpolari, ma viene continuamente perturbata dalle onde planetarie di Rossby generate principalmente dalla distribuzione dei continenti, dall’orografia e dalla variabilità meteorologica troposferica. Le onde di grande scala possono propagarsi verticalmente nella stratosfera soltanto in presenza di condizioni appropriate del vento zonale; una volta raggiunte le alte latitudini, possono dissiparsi o rompersi, provocando una decelerazione della corrente occidentale. Quando il forcing ondulatorio diventa sufficientemente intenso e persistente, il vortice può deformarsi, spostarsi dal polo o dividersi in due strutture distinte e, nei casi più estremi, può verificarsi un riscaldamento stratosferico improvviso maggiore. Durante un major SSW, l’aumento rapido della temperatura della stratosfera polare è accompagnato da un fortissimo rallentamento dei venti occidentali fino alla loro inversione. Tali eventi rappresentano quindi una manifestazione estrema dell’interazione onda–flusso e costituiscono uno dei principali meccanismi attraverso cui la variabilità troposferica e stratosferica entrano in comunicazione. Gli effetti di un SSW possono inoltre propagarsi sia verso la mesosfera sia verso la troposfera, dove vengono frequentemente osservate modificazioni del Northern Annular Mode, della posizione della corrente a getto e delle storm track nelle settimane successive.
L’altra grande modalità tropicale di interesse per la dinamica stratosferica è l’El Niño–Southern Oscillation, ENSO, che rappresenta la principale sorgente di variabilità interannuale del sistema oceano–atmosfera tropicale. ENSO nasce dall’interazione tra temperatura superficiale del Pacifico equatoriale, circolazione atmosferica tropicale e struttura dei venti alisei. Durante El Niño, il riscaldamento anomalo delle acque del Pacifico tropicale centrale e orientale si accompagna generalmente a un indebolimento della circolazione di Walker e a una riorganizzazione delle regioni di convezione profonda. Durante La Niña si verifica invece una configurazione sostanzialmente opposta, caratterizzata da temperature superficiali inferiori alla media nel Pacifico centrale-orientale e da un rafforzamento della circolazione zonale tropicale. Poiché la convezione tropicale costituisce una potente sorgente di onde atmosferiche, tali anomalie modificano la generazione e la propagazione delle onde di Rossby, delle onde di gravità e di altre perturbazioni capaci di trasferire quantità di moto ed energia verso le regioni extratropicali e verso gli strati atmosferici superiori.
Le teleconnessioni ENSO non rimangono infatti confinate alla troposfera. Numerosi studi osservativi e modellistici hanno dimostrato l’esistenza di una significativa via stratosferica attraverso cui il Pacifico tropicale può influenzare la circolazione delle alte latitudini. Durante molti episodi di El Niño si osserva un aumento della propagazione verso l’alto delle onde planetarie extratropicali, un rafforzamento della circolazione di Brewer–Dobson e un vortice polare boreale mediamente più debole e caldo. La bassa stratosfera tropicale tende parallelamente a raffreddarsi, coerentemente con un aumento della risalita tropicale associata alla circolazione residua. La Niña tende frequentemente a produrre anomalie opposte, con un vortice mediamente più forte, sebbene la risposta sia generalmente meno robusta e maggiormente dipendente dall’intensità dell’evento, dalla localizzazione delle anomalie della temperatura superficiale del mare e dallo stato della circolazione atmosferica. La revisione di Domeisen, Garfinkel e Butler ha evidenziato che questa teleconnessione è altamente sensibile alla diversità degli eventi ENSO e che una semplice classificazione binaria El Niño–La Niña non è sempre sufficiente per descrivere la risposta della stratosfera.
Particolarmente importante è pertanto considerare QBO ed ENSO congiuntamente. La circolazione stratosferica osservata durante un determinato inverno non rappresenta infatti la risposta isolata a uno soltanto di questi fenomeni, ma emerge dalla sovrapposizione e dall’interazione di molteplici sorgenti di variabilità. Le due oscillazioni possono persino influenzarsi reciprocamente. L’ENSO modifica la convezione tropicale e quindi le caratteristiche delle onde che alimentano la QBO, con possibili conseguenze sulla velocità di propagazione discendente, sull’ampiezza dei regimi di vento e sulla durata del ciclo. Gli esperimenti coordinati QBOi pubblicati nel 2025 hanno fornito nuove evidenze in questo senso: nove modelli climatici mostrano in maniera coerente una tendenza verso periodi della QBO più lunghi durante La Niña rispetto a El Niño, in accordo qualitativo con le osservazioni, anche se l’entità della risposta varia notevolmente tra i modelli. Gli stessi esperimenti indicano una maggiore incertezza per quanto riguarda la modulazione dell’ampiezza della QBO, il cui segno può cambiare da un modello all’altro e dipendere, tra l’altro, dalla rappresentazione delle sorgenti delle onde di gravità. Questi risultati confermano che ENSO non costituisce semplicemente una forzante esterna rispetto alla QBO, ma può contribuire a modificare le caratteristiche stesse dell’oscillazione stratosferica tropicale.
Questa interdipendenza rende particolarmente complessa l’analisi dei dati osservativi. La serie storica della QBO osservata direttamente è relativamente breve rispetto alle scale temporali necessarie per separare statisticamente tutte le possibili combinazioni QBO–ENSO, mentre gli eventi ENSO presentano una notevole diversità interna. In aggiunta, la durata irregolare della QBO e la persistenza plurimensile dell’ENSO generano inevitabilmente problemi di campionamento e di aliasing. Ne deriva che le differenze apparentemente associate a una particolare combinazione possono essere influenzate dalla variabilità interna del vortice, dalla fase stagionale o dalla presenza di altre modalità climatiche. Gli esperimenti modellistici controllati assumono pertanto un ruolo fondamentale, perché permettono di mantenere costanti alcune condizioni e di isolare più chiaramente la risposta dinamica alla QBO e all’ENSO. È precisamente questa difficoltà a distinguere i segnali nel record storico che ha motivato gli esperimenti QBOiENSO, nei quali le condizioni superficiali del mare rappresentative di El Niño e La Niña vengono prescritte in modo idealizzato al fine di separare sistematicamente le teleconnessioni associate alle due oscillazioni.
Le rianalisi atmosferiche forniscono tuttavia indicazioni importanti. Kumar et al., analizzando quarant’anni di dati ERA-Interim tra il 1979 e il 2018, hanno mostrato che QBO ed ENSO influenzano congiuntamente non soltanto il vortice polare, ma anche i jet subtropicali e la struttura delle onde planetarie durante l’inverno boreale. Durante la fase occidentale della QBO il vortice tende a essere più intenso e il segnale risulta particolarmente pronunciato durante La Niña. Gli autori distinguono inoltre due principali vie attraverso cui la QBO può condizionare l’emisfero invernale. La prima è una via stratosferica, strettamente collegata all’effetto Holton–Tan e alla modulazione dell’assorbimento delle onde planetarie; la seconda è una via troposferica, attraverso la quale la circolazione meridionale associata alla QBO modifica l’alta troposfera e la bassa stratosfera tropicale e subtropicale, influenzando potenzialmente i jet e la propagazione ondulatoria extratropicale. L’ENSO interviene su entrambi questi percorsi, modificando quindi sia la circolazione tropicale sia l’ambiente attraverso cui la teleconnessione della QBO raggiunge le alte latitudini.
Le analisi multi-modello più recenti confermano tuttavia che la capacità dei modelli di riprodurre questa teleconnessione rimane imperfetta. Naoe et al., nell’ambito degli esperimenti QBOiENSO pubblicati nel novembre 2025, hanno confrontato nove modelli con la rianalisi ERA5. Nelle osservazioni, la relazione Holton–Tan appare presente durante condizioni ENSO neutrali, El Niño e La Niña, ma raggiunge la maggiore intensità durante La Niña. In ERA5 la correlazione tra il vento equatoriale della QBO a 50 hPa e la forza del vortice raggiunge infatti valori particolarmente elevati durante gli inverni La Niña, mentre la differenza tra QBO occidentale e orientale nella media stratosfera polare può raggiungere circa 15 m/s. I modelli riproducono questo comportamento soltanto parzialmente: pochi sistemi simulano una relazione Holton–Tan vicina a quella osservata e, anche quando il segno della risposta è corretto, l’ampiezza è frequentemente molto più debole. Gli autori collegano almeno parte di questo problema alla tendenza dei modelli a rappresentare una QBO troppo debole nella bassa stratosfera, regione particolarmente importante per la comunicazione dinamica tra tropici e alte latitudini.
La relazione tra ENSO, QBO e riscaldamenti stratosferici improvvisi risulta ancora più complessa. La risposta media del vortice non può infatti essere tradotta direttamente nella probabilità di un evento estremo. Sebbene El Niño sia generalmente associato a una maggiore attività delle onde planetarie e a un vortice mediamente più debole, gli studi osservativi non hanno sempre mostrato una maggiore frequenza di SSW rispetto a La Niña. Butler e Polvani, analizzando 53 anni di rianalisi, hanno rilevato che gli SSW maggiori risultavano quasi due volte più frequenti durante gli inverni caratterizzati da una fase ENSO non neutrale rispetto agli inverni neutrali, ma che nel loro campione la probabilità era sostanzialmente comparabile durante El Niño e La Niña. Questo risultato dimostra come lo stato medio del vortice e l’insorgenza di un SSW non siano grandezze equivalenti: il collasso del vortice dipende da episodi specifici di forcing ondulatorio e dalla storia dinamica precedente della stratosfera.
Gli esperimenti QBOi del 2025 forniscono un quadro in parte differente e, proprio per questo, particolarmente istruttivo. Nei modelli, gli SSW si verificano mediamente più frequentemente durante gli esperimenti El Niño rispetto a quelli La Niña; tuttavia, a differenza delle osservazioni, non emerge una differenza robusta nella frequenza degli eventi tra QBO occidentale e QBO orientale. La difficoltà dei modelli nel rappresentare contemporaneamente l’intensità della QBO nella bassa stratosfera, l’effetto Holton–Tan e la frequenza degli SSW suggerisce che l’interazione tra QBO, ENSO e vortice non possa essere ridotta alla semplice somma di due segnali indipendenti. Al contrario, la risposta dipende dalla configurazione tridimensionale della circolazione e dalla capacità delle onde planetarie di propagarsi, interagire con il flusso medio e depositare quantità di moto nella stratosfera polare.
Il ruolo delle onde planetarie costituisce infatti il collegamento dinamico fondamentale tra le anomalie tropicali e il vortice polare. L’ENSO modifica la distribuzione della convezione e quindi le teleconnessioni troposferiche che influenzano le sorgenti e i percorsi delle onde di Rossby. La QBO, parallelamente, modifica il campo di vento attraverso il quale le stesse onde devono propagarsi per raggiungere la stratosfera. Ne consegue che una determinata perturbazione troposferica può produrre effetti stratosferici differenti a seconda della fase della QBO. Quando una grande quantità di attività ondulatoria raggiunge le alte latitudini stratosferiche, la dissipazione delle onde esercita una forza frenante sul flusso occidentale. Attraverso il principio dell’interazione onda–flusso, questa decelerazione induce modificazioni della circolazione meridionale residua con maggiore discesa dell’aria sopra il polo. La compressione adiabatica dell’aria discendente determina il riscaldamento della stratosfera polare, mentre nella mesosfera superiore possono contemporaneamente comparire anomalie di segno opposto. Nei casi estremi, questa riorganizzazione conduce a un SSW e al temporaneo collasso della struttura climatologica del vortice.
La circolazione residua riveste quindi un ruolo centrale nell’interpretazione delle anomalie termiche associate alle differenti combinazioni QBO–ENSO. La stratosfera non risponde all’attività ondulatoria esclusivamente attraverso variazioni del vento zonale: la deposizione di quantità di moto modifica la circolazione meridionale, alterando la risalita tropicale e subtropicale e la subsidenza alle alte latitudini. Questo meccanismo è strettamente collegato alla circolazione di Brewer–Dobson e permette di comprendere perché gli episodi di El Niño possano essere associati contemporaneamente a un raffreddamento della bassa stratosfera tropicale e a un riscaldamento della stratosfera polare. Le anomalie di temperatura costituiscono dunque la manifestazione termodinamica di una risposta dinamica più ampia che coinvolge onde, vento zonale e trasporto meridionale.
Queste connessioni assumono particolare rilevanza per la previsione meteorologica perché gli effetti di una forte perturbazione stratosferica possono propagarsi verso il basso. Dopo numerosi SSW, le anomalie della circolazione stratosferica tendono a evolvere verso configurazioni negative del Northern Annular Mode e possono favorire modificazioni persistenti della corrente a getto e della circolazione troposferica extratropicale. La probabilità di anomalie fredde in alcune regioni dell’Eurasia e del Nord America può aumentare dopo specifici eventi, ma la risposta non è uniforme e non tutti gli SSW determinano condizioni fredde alle medie latitudini. Il collegamento tra stratosfera e superficie deve quindi essere interpretato in termini probabilistici, tenendo conto sia della struttura dell’evento stratosferico sia dello stato preesistente della troposfera. La letteratura moderna sugli SSW sottolinea che questa variabilità della risposta rappresenta uno dei principali problemi ancora aperti nella previsione sub-stagionale.
Anche la distribuzione stagionale degli SSW rappresenta un elemento essenziale. Il vortice polare evolve infatti considerevolmente durante l’inverno: si forma in autunno, raggiunge generalmente una notevole intensità durante la parte centrale della stagione e successivamente decade con il ritorno della radiazione solare nella regione polare. La suscettibilità del vortice alle perturbazioni ondulatorie varia quindi tra dicembre, gennaio, febbraio e la fase primaverile. In questo quadro, distinguere gennaio da febbraio non costituisce semplicemente una scelta tecnica, ma può essere determinante per riconoscere la dipendenza stagionale delle teleconnessioni QBO–ENSO. I riscaldamenti caratterizzati prevalentemente da uno spostamento del vortice e quelli dominati da una sua divisione non presentano necessariamente la stessa distribuzione temporale, né sono necessariamente associati agli stessi precursori troposferici. Inoltre, un SSW sviluppatosi a fine gennaio può mantenere il vortice in uno stato perturbato durante buona parte di febbraio, introducendo una memoria dinamica capace di condizionare le medie mensili successive.
Questo aspetto è particolarmente importante ai fini delle previsioni stagionali. Una previsione basata sulla media dell’intero trimestre invernale può nascondere transizioni dinamiche significative tra l’inizio e la fine della stagione. Una stessa combinazione ENSO–QBO potrebbe essere associata a un determinato segnale in gennaio e a una risposta differente in febbraio, perché cambiano simultaneamente la struttura climatologica del vortice, la posizione delle shear zones della QBO, la distribuzione della convezione tropicale e il background attraverso cui si propagano le onde planetarie. Proprio per questa ragione, le analisi mensili possono risultare maggiormente informative quando l’obiettivo è valutare la probabilità di forte indebolimento del vortice, SSW o possibili conseguenze troposferiche.
La QBO presenta inoltre un vantaggio fondamentale dal punto di vista della prevedibilità. A differenza di molte componenti della variabilità troposferica, l’alternanza dei regimi di vento equatoriali evolve lentamente e può essere prevista con largo anticipo. Anche ENSO possiede una notevole memoria oceanica e può essere previsto su scale temporali stagionali. L’informazione combinata sullo stato della QBO e del Pacifico tropicale può quindi potenzialmente contribuire a definire il background dinamico entro il quale evolverà il vortice polare durante l’inverno successivo. Ciò non significa naturalmente che la conoscenza delle fasi QBO ed ENSO permetta di prevedere direttamente un SSW: gli eventi dipendono anche dalla variabilità meteorologica troposferica e dagli impulsi delle onde planetarie, che presentano una componente intrinsecamente meno prevedibile. QBO ed ENSO possono tuttavia modificare le probabilità di fondo, predisponendo la stratosfera verso una maggiore o minore vulnerabilità al forcing ondulatorio.
È in questo quadro che assume particolare rilevanza lo studio di Ermakova, Koval, Didenko, Fadeev e Sokolov, dedicato alla forza e alla persistenza del vortice polare stratosferico nelle differenti combinazioni delle fasi QBO ed ENSO. Gli autori utilizzano il modello non lineare MUAM, Middle and Upper Atmosphere Model, per realizzare esperimenti controllati capaci di separare quattro configurazioni fondamentali: El Niño associato alla QBO orientale, El Niño associato alla QBO occidentale, La Niña associata alla QBO orientale e La Niña associata alla QBO occidentale. Questo approccio offre un importante vantaggio rispetto alla sola analisi osservativa, perché permette di confrontare le differenti combinazioni mantenendo più facilmente sotto controllo le altre condizioni e riducendo alcuni dei problemi di campionamento derivanti dalla brevità del record atmosferico.
Per ciascuna combinazione vengono eseguiti ensemble costituiti da dieci simulazioni e le analisi vengono condotte separatamente per gennaio e febbraio. Questa scelta consente di esaminare non soltanto il segno medio della risposta, ma anche la sua evoluzione durante il cuore dell’inverno. Le variabili considerate comprendono il vento zonale medio zonale, la temperatura, la divergenza del flusso di Eliassen–Palm e la circolazione media residua. Il flusso di Eliassen–Palm assume particolare importanza perché costituisce uno degli strumenti diagnostici principali per studiare l’interazione tra onde e flusso medio: la sua convergenza o divergenza permette di individuare le regioni nelle quali l’attività ondulatoria tende a decelerare o accelerare la circolazione zonale. La circolazione media residua fornisce invece un’indicazione della risposta meridionale indotta dal forcing ondulatorio e consente di collegare dinamicamente le anomalie del vento alle modificazioni della temperatura nella stratosfera e nella mesosfera.
L’obiettivo dello studio non è quindi semplicemente stabilire quale combinazione QBO–ENSO produca il vortice più forte o più debole, ma comprendere attraverso quali modificazioni dell’attività ondulatoria e della circolazione residua tale risposta venga generata e se essa cambi tra gennaio e febbraio. Questo approccio appare particolarmente importante alla luce della letteratura recente, secondo la quale l’effetto Holton–Tan osservato durante La Niña può risultare più marcato rispetto ad altre fasi ENSO, mentre i modelli climatici continuano a mostrare notevoli difficoltà nel riprodurne correttamente l’ampiezza. Le rianalisi ERA5 analizzate dagli studi QBOi mostrano infatti una risposta polare particolarmente forte durante La Niña, mentre il multi-model ensemble sottostima significativamente il segnale. Il confronto tra risultati ottenuti con MUAM, rianalisi e modelli QBOi può pertanto offrire informazioni utili per comprendere quali processi siano maggiormente responsabili delle differenze nella simulazione del vortice.
Nel complesso, l’interazione QBO–ENSO rappresenta uno dei problemi più interessanti della dinamica atmosferica contemporanea perché collega fenomeni apparentemente molto distanti: la convezione del Pacifico tropicale, i venti equatoriali della stratosfera, la propagazione delle onde planetarie, la circolazione di Brewer–Dobson e il comportamento del vortice polare artico. La crescente evidenza scientifica indica che nessuno di questi processi dovrebbe essere interpretato isolatamente. La fase della QBO modifica l’ambiente attraverso cui le onde si propagano; ENSO modifica le sorgenti troposferiche e la struttura delle teleconnessioni; il vortice polare possiede una propria variabilità interna e una memoria stagionale; gli SSW rappresentano la risposta estrema di questo sistema quando il forcing ondulatorio supera determinate soglie dinamiche. La previsione del comportamento della stratosfera invernale richiede quindi una prospettiva integrata che consideri simultaneamente variabilità tropicale, propagazione ondulatoria, interazione onda–flusso e stato preesistente del vortice. Lo studio di Ermakova et al. si colloca precisamente all’interno di questa prospettiva e, attraverso la separazione delle quattro combinazioni QBO–ENSO e l’analisi distinta di gennaio e febbraio, mira a chiarire in quale misura la variabilità tropicale possa predisporre il vortice polare verso condizioni di maggiore stabilità oppure verso configurazioni più favorevoli alla sua perturbazione e allo sviluppo dei riscaldamenti stratosferici improvvisi.
2. Materiali e metodi
L’analisi dell’influenza combinata della Quasi-Biennial Oscillation, QBO, e dell’El Niño–Southern Oscillation, ENSO, sulla dinamica della stratosfera polare richiede un approccio modellistico in grado di rappresentare simultaneamente una porzione molto estesa dell’atmosfera, dalla troposfera fino alla termosfera, e di descrivere i principali processi attraverso i quali le perturbazioni generate alle basse latitudini possono propagarsi verticalmente e meridionalmente. Lo studio di Ermakova et al. affronta questo problema utilizzando il Middle and Upper Atmosphere Model, MUAM, un modello meccanicistico tridimensionale e non lineare della circolazione generale della media e alta atmosfera. Il vantaggio fondamentale di un modello di questo tipo consiste nella possibilità di seguire in maniera continua la propagazione delle perturbazioni atmosferiche dalla superficie terrestre fino ad altitudini dell’ordine di 300–400 km, comprendendo quindi troposfera, stratosfera, mesosfera e gran parte della termosfera. Questa estensione verticale è particolarmente importante nello studio della QBO e del vortice polare, perché le perturbazioni delle onde planetarie e delle onde di gravità non rimangono confinate a un singolo livello atmosferico, ma possono trasferire quantità di moto ed energia attraverso un intervallo verticale molto ampio. Precedenti applicazioni del MUAM hanno mostrato come tale modello possa essere utilizzato per studiare la risposta della circolazione globale alle differenti fasi della QBO e per seguire gli effetti dinamici fino alla bassa termosfera.
Il nucleo dinamico del MUAM è basato sul sistema delle equazioni primitive della dinamica atmosferica formulate in coordinate sferiche. Tali equazioni descrivono l’evoluzione del vento, della temperatura, della pressione e delle altre grandezze fondamentali della circolazione su scala globale, mantenendo la struttura fisica necessaria per rappresentare i processi dinamici della media atmosfera. La soluzione numerica viene ottenuta mediante la procedura di splitting di Marchuk–Strang, che permette di separare temporaneamente differenti componenti delle equazioni per facilitarne l’integrazione, mentre lo schema di Matsuno viene utilizzato per l’avanzamento temporale. Sebbene questi aspetti possano apparire puramente numerici, essi sono rilevanti per la stabilità delle simulazioni e per la capacità del modello di rappresentare fenomeni atmosferici caratterizzati da scale spaziali e temporali molto differenti, dalle grandi onde planetarie fino alla circolazione media della mesosfera e della termosfera.
Il modello non considera esclusivamente i processi dinamici. Il modulo radiativo rappresenta il riscaldamento atmosferico dovuto all’assorbimento della radiazione nelle bande ultraviolette e visibili e il raffreddamento nelle principali bande dell’infrarosso. Alle quote più elevate vengono inoltre considerati processi che assumono un’importanza progressivamente crescente, tra cui attrito ionico, viscosità molecolare e turbolenta e conducibilità termica. Questa impostazione permette al MUAM di rappresentare una circolazione atmosferica globale qualitativamente realistica attraverso una profondità verticale molto superiore a quella dei tradizionali modelli troposferici. Proprio questa capacità rende il modello adatto allo studio delle teleconnessioni della QBO, la cui influenza non si limita alla stratosfera tropicale ma può estendersi verso il vortice polare, la mesosfera e la termosfera attraverso processi di propagazione e filtraggio delle onde. Studi condotti con MUAM hanno infatti evidenziato modificazioni della circolazione meridionale residua, dei campi di vento e temperatura e dei flussi di massa associate alla fase della QBO.
La griglia orizzontale utilizzata presenta una risoluzione di 5,625° in longitudine e 5° in latitudine. Si tratta di una risoluzione relativamente grossolana se confrontata con quella dei moderni modelli numerici per la previsione meteorologica, ma coerente con la natura meccanicistica dell’esperimento e con l’obiettivo di rappresentare la circolazione planetaria su grande scala. Le teleconnessioni QBO–ENSO e la risposta del vortice polare sono infatti dominate principalmente da strutture atmosferiche di grande scala, quali onde planetarie, jet stratosferici e circolazione meridionale. La coordinata verticale è invece di tipo log-isobarico, cioè costruita in modo che la quota venga espressa attraverso il rapporto tra la pressione atmosferica e la pressione di riferimento superficiale. Una simile formulazione risulta particolarmente conveniente per lo studio della media atmosfera, dove la pressione diminuisce di diversi ordini di grandezza procedendo dalla superficie alla termosfera.
Un elemento metodologico fondamentale riguarda la rappresentazione della QBO. Il MUAM, nella configurazione utilizzata nello studio, non genera autonomamente una QBO stratosferica sufficientemente realistica. Questa limitazione deriva in particolare dalla risoluzione verticale relativamente ridotta e dalla conseguente difficoltà nel rappresentare esplicitamente l’intero spettro delle onde equatoriali e delle onde di gravità responsabili dell’accelerazione alternata dei regimi di vento orientali e occidentali. La QBO reale nasce infatti dall’interazione non lineare tra il vento medio equatoriale e onde che trasportano verticalmente quantità di moto dalla troposfera. Riprodurre spontaneamente questa oscillazione richiede quindi una rappresentazione adeguata delle sorgenti ondulatorie, della propagazione verticale, dei livelli critici e della dissipazione. Anche nei moderni modelli climatici la corretta simulazione della QBO rimane un problema non banale; gli esperimenti internazionali QBOi hanno mostrato, per esempio, che alcuni modelli presentano ancora ampiezze dei venti della QBO troppo deboli nella bassa stratosfera, con conseguenze importanti sulla simulazione delle teleconnessioni verso il vortice polare.
Per superare questo problema, Ermakova et al. introducono la QBO nel MUAM mediante una tecnica di rilassamento, comunemente definita nudging. Il principio consiste nell’aggiungere alle equazioni del vento zonale una tendenza che progressivamente avvicina la soluzione calcolata dal modello a campi di vento osservati o derivati dalle rianalisi. Il rilassamento viene applicato nella fascia tropicale compresa fra 17,5° S e 17,5° N e fino a circa 60 km di quota, utilizzando un tempo caratteristico pari a cinque giorni. Il modello conserva quindi una propria dinamica interna, ma il vento equatoriale viene vincolato a evolvere verso una struttura rappresentativa della fase QBO desiderata. Questo tipo di strategia è particolarmente utile negli esperimenti meccanicistici perché consente di confrontare configurazioni orientali e occidentali della QBO mantenendo invariati, per quanto possibile, gli altri elementi dell’esperimento.
La definizione della fase della QBO costituisce a sua volta un aspetto metodologico rilevante. Una classificazione molto semplice potrebbe utilizzare il vento zonale equatoriale a 30 o 50 hPa, attribuendo gli inverni alla fase orientale o occidentale a seconda del segno del vento. Tale metodo è largamente impiegato nella climatologia della QBO ma può risultare insufficiente quando l’obiettivo consiste nello studiare le teleconnessioni, perché due situazioni caratterizzate dallo stesso segno del vento a 50 hPa possono presentare strutture completamente differenti nella stratosfera sovrastante. La QBO non è infatti una semplice oscillazione temporale a un livello fisso: i regimi di vento discendono progressivamente attraverso la stratosfera e sono separati da regioni di intenso shear verticale. Di conseguenza, la struttura verticale completa può avere un ruolo determinante nel controllo della propagazione delle onde planetarie e delle teleconnessioni extratropicali.
Per questa ragione, lo studio utilizza un metodo basato sulle funzioni ortogonali empiriche, EOF, applicato ai campi di vento zonale della rianalisi JRA-55. La scelta di JRA-55 consente di sfruttare una lunga serie omogenea di informazioni stratosferiche che risale al 1958. Prima dell’analisi, il vento zonale medio equatoriale viene filtrato attraverso una media mobile di cinque mesi e considerato a nove livelli isobarici compresi tra 70 e 1 hPa. Successivamente, la variabilità viene descritta attraverso le prime due componenti principali dell’analisi EOF. In termini fisici, queste componenti permettono di condensare gran parte dell’informazione contenuta nella struttura verticale della QBO in un numero molto ridotto di variabili, riducendo la dimensionalità del problema senza perdere le caratteristiche dinamiche fondamentali.
La rappresentazione delle prime due componenti principali all’interno di uno spazio delle fasi bidimensionale permette inoltre di seguire l’evoluzione verticale del ciclo della QBO. È così possibile distinguere non soltanto regimi pienamente orientali e pienamente occidentali, ma anche stati di transizione caratterizzati da shear orientale oppure occidentale. Questo approccio è metodologicamente più sofisticato rispetto a un indice definito a un singolo livello e risponde a una problematica riconosciuta nella letteratura recente: l’intensità delle teleconnessioni extratropicali della QBO dipende significativamente dalla sua struttura verticale e, in particolare, dalla configurazione del vento nella bassa stratosfera. Gli esperimenti QBOi pubblicati nel 2025 mostrano infatti che la teleconnessione con il vortice polare è strettamente legata all’ampiezza della QBO intorno a 50 hPa e che una rappresentazione insufficiente di questa regione contribuisce alla debolezza dell’effetto Holton–Tan in numerosi modelli.
Una volta identificate le configurazioni tipiche, vengono selezionati gruppi di anni rappresentativi delle fasi orientale e occidentale della QBO, utilizzati per costruire i campi di fondo e per effettuare il rilassamento del modello. Sebbene JRA-55 venga impiegata per la classificazione della QBO grazie alla sua lunga estensione temporale, i campi atmosferici implementati nel MUAM e quelli utilizzati per il confronto sono derivati dalla rianalisi MERRA-2, che offre una risoluzione spaziale e una copertura verticale più adeguate alle esigenze dell’esperimento. L’utilizzo congiunto di rianalisi differenti risponde quindi a due necessità complementari: da un lato disporre di una lunga serie temporale per classificare correttamente le fasi QBO, dall’altro fornire al modello campi meteorologici tridimensionali sufficientemente dettagliati.
La rappresentazione dell’ENSO segue una filosofia diversa rispetto alla QBO. Poiché El Niño e La Niña esercitano gran parte della loro influenza atmosferica modificando la distribuzione della convezione e delle precipitazioni tropicali, il loro effetto viene introdotto attraverso le anomalie del rilascio di calore latente. Il riscaldamento diabatico associato alla condensazione costituisce infatti una delle principali sorgenti dinamiche delle perturbazioni tropicali e delle onde di Rossby che successivamente si propagano verso le regioni extratropicali. Alterare la distribuzione del riscaldamento tropicale permette quindi di generare nel modello una risposta atmosferica coerente con le differenti configurazioni ENSO senza dover simulare esplicitamente un oceano interattivo.
Gli anni rappresentativi di El Niño e La Niña vengono identificati attraverso il Multivariate ENSO Index, MEI. A differenza di un indice costruito esclusivamente sulle anomalie della temperatura superficiale marina, il MEI combina diverse caratteristiche del sistema accoppiato oceano–atmosfera nel Pacifico tropicale, includendo pressione al livello del mare, componenti zonale e meridionale del vento superficiale, temperatura superficiale marina, temperatura dell’aria e nuvolosità. L’impiego di un indice multivariato risulta particolarmente appropriato per uno studio dinamico perché ENSO non è semplicemente una variazione della temperatura oceanica, ma una riorganizzazione dell’intero sistema atmosferico e oceanico tropicale.
Per ciascuna fase ENSO vengono selezionati cinque anni rappresentativi. Il riscaldamento latente associato alle precipitazioni viene successivamente calcolato in ogni punto della griglia del MUAM utilizzando una distribuzione verticale parametrizzata. La struttura longitudinale viene scomposta nelle armoniche zonali con numeri d’onda da 1 a 4, consentendo al modello di rappresentare le grandi asimmetrie longitudinali del riscaldamento tropicale. Tale dettaglio è particolarmente importante perché le teleconnessioni ENSO sono generate proprio dalla distribuzione non uniforme della convezione tropicale. Una rappresentazione puramente zonale del riscaldamento eliminerebbe gran parte delle onde planetarie stazionarie necessarie a trasmettere il segnale dal Pacifico tropicale verso le medie e alte latitudini.
Il MUAM considera inoltre la componente media zonale del riscaldamento, le variazioni longitudinali associate alle onde stazionarie e le oscillazioni diurne e semidiurne delle maree atmosferiche. La presenza di queste componenti permette di descrivere un sistema dinamico nel quale ENSO può modificare non soltanto le onde planetarie che raggiungono la stratosfera, ma anche le maree e altri tipi di perturbazioni della media e alta atmosfera. Studi successivi condotti con MUAM hanno infatti utilizzato lo stesso quadro modellistico per analizzare la dipendenza delle ampiezze delle maree atmosferiche dalle diverse combinazioni di QBO ed ENSO, mostrando l’utilità del modello nello studio dell’accoppiamento verticale tra atmosfera inferiore e superiore.
Il ricorso a esperimenti controllati assume particolare valore perché distinguere empiricamente gli effetti di QBO ed ENSO nelle osservazioni è estremamente difficile. Entrambi i fenomeni possiedono scale temporali interannuali e il limitato periodo coperto dalle osservazioni stratosferiche affidabili determina inevitabilmente sovrapposizioni statistiche tra le loro fasi. Gli esperimenti internazionali QBOiENSO sono stati concepiti esattamente per affrontare questo problema, utilizzando condizioni idealizzate di El Niño, La Niña ed ENSO neutrale in modo da isolare le teleconnessioni della QBO. Naoe et al. sottolineano che l’aliasing tra QBO ed ENSO nel record storico costituisce uno dei principali ostacoli alla determinazione della loro influenza separata al di fuori dei tropici. La strategia di Ermakova et al., pur basata su un modello differente, risponde alla stessa esigenza concettuale: costruire condizioni controllate nelle quali sia possibile confrontare direttamente le quattro combinazioni fondamentali QBO–ENSO.
Vengono pertanto realizzate quattro categorie di esperimenti: El Niño con QBO orientale, El Niño con QBO occidentale, La Niña con QBO orientale e La Niña con QBO occidentale. Per ciascuna combinazione vengono effettuate dieci integrazioni del modello, ottenendo complessivamente quaranta simulazioni. I campi di vento e temperatura delle dieci simulazioni appartenenti allo stesso gruppo vengono successivamente mediati per produrre un composito rappresentativo. La climatologia di riferimento viene invece calcolata utilizzando l’insieme completo delle quaranta integrazioni. In questo modo, le anomalie associate a una specifica combinazione QBO–ENSO vengono definite rispetto allo stato medio dell’intero insieme sperimentale anziché rispetto a una climatologia esterna.
La costruzione di ensemble è fondamentale perché il vortice polare stratosferico possiede una notevole variabilità interna. Anche mantenendo identiche le condizioni tropicali di fondo, piccole modificazioni dello stato atmosferico iniziale possono produrre evoluzioni differenti delle onde planetarie e, di conseguenza, del vortice. Per introdurre questa variabilità, gli autori modificano tra un membro e l’altro dell’ensemble la data di attivazione del ciclo giornaliero del riscaldamento solare e della generazione delle onde planetarie. Le divergenze che emergono successivamente tra le simulazioni vengono interpretate come un analogo della variabilità interannuale. Questo procedimento permette di evitare che le conclusioni siano determinate da una singola evoluzione atmosferica e di individuare invece le caratteristiche che si ripresentano statisticamente all’interno dello stesso regime QBO–ENSO.
L’utilizzo di dieci membri rappresenta comunque un compromesso tra costo computazionale e robustezza statistica. La moderna modellistica climatica utilizza spesso ensemble molto più numerosi proprio perché le teleconnessioni stratosferiche possono essere fortemente contaminate dalla variabilità interna. Gli esperimenti QBOiENSO, ad esempio, hanno evidenziato considerevoli differenze tra i nove modelli partecipanti nella rappresentazione del rapporto tra QBO, ENSO e vortice polare, mostrando come anche segnali fisicamente ben motivati possano essere difficili da distinguere quando l’ampiezza della variabilità interna è elevata. Questo confronto aiuta a comprendere perché i risultati del MUAM debbano essere interpretati soprattutto in termini di meccanismi dinamici e differenze relative fra gli ensemble, piuttosto che come una quantificazione definitiva della probabilità climatologica delle diverse configurazioni.
Per identificare i meccanismi attraverso cui la risposta si sviluppa, lo studio non si limita ai campi di temperatura e vento. Un ruolo centrale viene attribuito alla circolazione meridionale residua, RMC, calcolata attraverso il formalismo del Transformed Eulerian Mean, TEM. Questo approccio rappresenta uno degli strumenti teorici fondamentali per analizzare l’interazione onda–flusso nella stratosfera. Le equazioni TEM riorganizzano la circolazione media in modo da separare più chiaramente il trasporto dovuto alla circolazione meridionale effettiva dal contributo delle perturbazioni eddy. La loro introduzione da parte di Andrews e McIntyre negli anni Settanta ha fornito il quadro teorico nel quale vengono oggi interpretati molti dei processi di accoppiamento tra onde planetarie e circolazione media.
Nel formalismo TEM, la circolazione residua può essere considerata una rappresentazione più fisicamente significativa del trasporto meridionale rispetto alla semplice circolazione Euleriana media, soprattutto nella stratosfera. Essa incorpora infatti l’effetto del trasporto eddy associato alle onde e permette di collegare direttamente il forcing dinamico al movimento verticale delle masse d’aria. Quando l’attività delle onde planetarie aumenta e deposita quantità di moto nella stratosfera, la circolazione residua viene modificata. Alle alte latitudini invernali questo può comportare una maggiore discesa dell’aria, che si comprime e si riscalda adiabaticamente; nella regione tropicale, per compensazione, può intensificarsi la risalita associata alla circolazione di Brewer–Dobson. È quindi possibile utilizzare congiuntamente anomalie di RMC e temperatura per determinare se un riscaldamento polare sia coerente con una risposta dinamica indotta dal forcing ondulatorio.
Questa interpretazione è particolarmente importante nello studio degli SSW. Il forte riscaldamento osservato nella stratosfera polare durante un riscaldamento stratosferico improvviso non deriva principalmente da una sorgente radiativa locale, ma dall’intensa discesa dinamica dell’aria indotta dalla riorganizzazione della circolazione conseguente alla deposizione di quantità di moto delle onde planetarie. Allo stesso tempo, la mesosfera può manifestare un raffreddamento in seguito alla modificazione della circolazione verticale. Analizzare RMC e temperatura insieme consente quindi di verificare se le anomalie generate nelle differenti combinazioni QBO–ENSO siano dinamicamente coerenti con i processi caratteristici dell’indebolimento o del rafforzamento del vortice.
Il secondo strumento diagnostico fondamentale è il flusso di Eliassen–Palm, EP. Nel quadro TEM, il vettore EP fornisce una rappresentazione compatta della propagazione dell’attività ondulatoria e dell’interazione delle onde con il flusso zonale medio. La teoria di Eliassen–Palm e le successive generalizzazioni di Andrews e McIntyre costituiscono uno dei pilastri della moderna dinamica della stratosfera. In termini qualitativi, l’orientamento del vettore EP nel piano latitudine–quota permette di identificare il percorso seguito dall’attività delle onde planetarie, mentre la convergenza o divergenza del flusso fornisce informazioni sul trasferimento di quantità di moto tra le onde e il vento medio.
Nel sistema di convenzioni adottato dagli autori, una divergenza positiva del flusso EP corrisponde a un trasferimento di quantità di moto tale da accelerare il vento medio verso ovest, rafforzando quindi la componente occidentale della circolazione zonale. Una divergenza negativa, ossia una convergenza del flusso EP, è invece associata alla decelerazione del vento medio e a un maggiore effetto dell’attività ondulatoria sul flusso di fondo. Questa distinzione è essenziale nello studio del vortice polare: un aumento della convergenza del flusso EP nella stratosfera invernale indica che le onde stanno esercitando un forcing più intenso sulla circolazione zonale, favorendo il rallentamento dei venti occidentali e potenzialmente predisponendo il vortice a un marcato indebolimento o a un SSW.
La combinazione delle diagnostiche permette pertanto di ricostruire una catena causale. Le differenti condizioni ENSO modificano la distribuzione del riscaldamento tropicale e quindi le sorgenti delle onde planetarie; la fase e la struttura verticale della QBO modificano a loro volta il mezzo attraverso il quale tali onde possono propagarsi; il flusso EP permette di identificare le differenze nella propagazione e nella deposizione di quantità di moto; la circolazione residua descrive la conseguente risposta meridionale e verticale dell’atmosfera; infine, le anomalie di temperatura e vento mostrano la risposta termodinamica e dinamica del vortice polare. L’importanza di una simile impostazione è che evita di limitarsi alla semplice correlazione tra una fase tropicale e un vortice più forte o più debole, consentendo invece di verificare se esista un percorso dinamico coerente che colleghi le due regioni.
Gli esperimenti QBOi recenti rafforzano la necessità di questo approccio process-oriented. Naoe et al. hanno mostrato che la teleconnessione osservata tra QBO e vortice polare è riprodotta solo parzialmente dai moderni modelli climatici. In ERA5 la differenza della forza del vortice tra QBO occidentale e orientale raggiunge valori particolarmente elevati durante La Niña, mentre gran parte dei modelli simula una risposta molto più debole. Gli autori attribuiscono parte di questa discrepanza alla debole ampiezza della QBO nella bassa stratosfera simulata da molti sistemi. Ciò significa che rappresentare semplicemente la presenza di una QBO non è sufficiente: è necessario descriverne correttamente ampiezza e struttura verticale affinché essa modifichi realisticamente il percorso delle onde planetarie verso il vortice.
Anche da questo punto di vista l’impiego del nudging nel MUAM presenta contemporaneamente un vantaggio e una limitazione. Il vantaggio consiste nel garantire che le fasi orientale e occidentale abbiano una struttura prossima a quella osservata, evitando che una QBO modellistica eccessivamente debole comprometta a monte la teleconnessione. La limitazione è che la QBO non nasce spontaneamente dall’interazione tra onde e circolazione del modello e quindi parte dell’accoppiamento dinamico viene prescritta. Gli esperimenti devono pertanto essere interpretati principalmente come test meccanicistici della risposta atmosferica a differenti strutture QBO imposte, non come simulazioni completamente libere dell’origine e dell’evoluzione dell’oscillazione.
Una considerazione analoga riguarda ENSO. La parametrizzazione attraverso il riscaldamento latente permette di isolare efficientemente l’effetto atmosferico delle differenti fasi tropicali, ma non rappresenta l’intero sistema accoppiato oceano–atmosfera. Nella realtà, El Niño e La Niña presentano una notevole diversità per intensità, posizione longitudinale delle anomalie oceaniche, evoluzione stagionale e configurazione della convezione. La risposta della stratosfera può variare sensibilmente tra eventi del Pacifico orientale e del Pacifico centrale. Gli esperimenti MUAM utilizzano invece compositi rappresentativi di ciascuna fase, privilegiando la possibilità di isolare i meccanismi fondamentali rispetto alla riproduzione della complessità di ogni singolo episodio reale.
Nel complesso, la metodologia costruita da Ermakova et al. rappresenta quindi un esperimento controllato sul funzionamento delle teleconnessioni atmosferiche. Le quaranta simulazioni consentono di confrontare sistematicamente El Niño–eQBO, El Niño–wQBO, La Niña–eQBO e La Niña–wQBO; il nudging garantisce strutture QBO ben definite; il riscaldamento latente introduce le principali anomalie convettive associate all’ENSO; l’analisi EOF permette di classificare la QBO sulla base della sua struttura verticale anziché di un singolo indice; il formalismo TEM e la circolazione residua descrivono la risposta della circolazione meridionale; il flusso EP diagnostica la propagazione delle onde e il loro scambio di quantità di moto con il vento medio. Considerati insieme, questi strumenti permettono di passare dalla semplice descrizione delle anomalie alla loro interpretazione dinamica.
È precisamente questa struttura metodologica a rendere possibile l’obiettivo centrale dello studio: determinare non soltanto se il vortice polare risulti più intenso o più debole nelle diverse configurazioni QBO–ENSO, ma comprendere attraverso quali modificazioni della propagazione delle onde, della circolazione residua e della struttura termica tali differenze possano svilupparsi. La metodologia permette inoltre di analizzare separatamente gennaio e febbraio, evitando che una media stagionale nasconda variazioni intrastagionali nella risposta. Poiché il vortice polare, la QBO e le sorgenti troposferiche delle onde evolvono continuamente durante l’inverno, questa distinzione mensile costituisce un elemento particolarmente importante. Il quadro metodologico adottato consente quindi di trattare il vortice polare non come una semplice variabile dipendente da ENSO o QBO, ma come il risultato di un sistema dinamico nel quale sorgenti tropicali, propagazione ondulatoria, interazione onda–flusso e circolazione meridionale operano congiuntamente su diverse scale spaziali e temporali.
3. Risultati
L’analisi dei risultati ottenuti attraverso il modello MUAM permette di mettere in evidenza un aspetto metodologico particolarmente rilevante nello studio delle teleconnessioni tra tropici e regioni polari: la risposta della stratosfera non è necessariamente costante durante l’intero inverno boreale, ma può modificarsi sensibilmente tra gennaio e febbraio. Gran parte della letteratura precedente ha infatti analizzato la relazione tra QBO, ENSO e vortice polare utilizzando medie stagionali, generalmente riferite al trimestre dicembre–gennaio–febbraio. Sebbene questo approccio presenti evidenti vantaggi dal punto di vista statistico, esso può attenuare o mascherare variazioni intrastagionali importanti, soprattutto quando i meccanismi dinamici responsabili della propagazione delle onde planetarie e dell’interazione onda–flusso evolvono durante la stagione. Il vortice polare stesso attraversa un ciclo stagionale pronunciato: tende a svilupparsi e rafforzarsi durante l’autunno e la prima parte dell’inverno, raggiunge generalmente uno stato relativamente intenso nel cuore della stagione fredda e successivamente si indebolisce gradualmente man mano che l’emisfero settentrionale si avvicina alla primavera. Separare gennaio e febbraio consente pertanto di studiare la risposta delle teleconnessioni QBO–ENSO all’interno di due differenti stati climatologici del vortice.
La Figura 1 costituisce innanzitutto un test fondamentale della capacità del MUAM di riprodurre la struttura media della circolazione atmosferica. Prima di analizzare le anomalie associate alle singole combinazioni QBO–ENSO è infatti necessario stabilire se lo stato di fondo simulato dal modello sia sufficientemente realistico. A questo scopo gli autori confrontano vento zonale medio, temperatura, divergenza del flusso di Eliassen–Palm e circolazione media residua con i campi ottenuti dalla rianalisi MERRA-2. Quest’ultima costituisce una delle principali rianalisi atmosferiche globali della moderna era satellitare ed è prodotta dal Global Modeling and Assimilation Office della NASA. MERRA-2 combina un modello atmosferico globale con un esteso sistema di assimilazione delle osservazioni, fornendo una ricostruzione tridimensionale e dinamicamente coerente dell’atmosfera moderna; per questo motivo rappresenta un riferimento particolarmente utile per valutare la climatologia simulata da un modello della media atmosfera.
Il confronto con le rianalisi è tuttavia reso più complesso dalla limitata dimensione del campione osservativo disponibile per ciascuna combinazione delle fasi QBO ed ENSO. Questo costituisce un problema generale degli studi sulle teleconnessioni stratosferiche. La QBO possiede un periodo medio di circa 28 mesi, mentre ENSO evolve tipicamente su scale temporali interannuali; considerando contemporaneamente QBO orientale, QBO occidentale, El Niño e La Niña, il numero di inverni appartenenti a ciascuna combinazione si riduce inevitabilmente. Se si aggiunge la necessità di distinguere gennaio da febbraio, il campione diventa ancora più piccolo. Il problema è ulteriormente aggravato dalla forte variabilità interna del vortice polare. Un singolo SSW particolarmente intenso può infatti alterare in maniera sostanziale la media di una stagione e, quando il campione comprende soltanto pochi anni, il segnale attribuito a QBO o ENSO può riflettere in realtà la presenza o l’assenza casuale di alcuni grandi riscaldamenti stratosferici.
Questa difficoltà non è specifica dello studio di Ermakova et al., ma costituisce uno dei motivi principali per cui negli ultimi anni sono stati sviluppati esperimenti modellistici controllati come quelli dell’iniziativa QBOiENSO. Naoe et al. hanno sottolineato come la separazione osservativa degli effetti di QBO ed ENSO sia problematica proprio a causa dell’aliasing presente nel record storico. Utilizzando esperimenti idealizzati nei quali le condizioni di El Niño e La Niña vengono mantenute separate, il progetto QBOi ha cercato di isolare le rispettive teleconnessioni. Gli stessi autori mostrano che il segnale QBO–vortice osservato nelle rianalisi può essere notevolmente più intenso rispetto a quello simulato da molti modelli, evidenziando contemporaneamente la difficoltà statistica delle osservazioni e quella dinamica dei sistemi modellistici.
Per questa ragione, Ermakova et al. scelgono di non costruire compositi MERRA-2 delle quattro combinazioni QBO–ENSO utilizzando pochissimi inverni, ma di analizzare separatamente un insieme di anni rappresentativi della QBO e dell’ENSO. Questa strategia non consente di riprodurre esattamente la struttura dell’esperimento MUAM, ma permette almeno di verificare se il modello riproduca correttamente le principali caratteristiche dello stato atmosferico e le tendenze generali verso il rafforzamento o l’indebolimento del vortice. Il confronto deve quindi essere interpretato come una validazione della struttura dinamica del modello e non come una verifica evento per evento delle quattro combinazioni tropicali.
Uno dei risultati più evidenti riguarda la maggiore intensità del vortice polare nel mese di gennaio rispetto a febbraio. Sia nelle simulazioni MUAM sia nella rianalisi MERRA-2 il jet stratosferico delle alte latitudini risulta più intenso in gennaio, mentre nel mese successivo è già riconoscibile un indebolimento della circolazione occidentale. Questo comportamento è coerente con l’evoluzione stagionale della stratosfera boreale. Con l’avanzare dell’inverno, la crescente attività delle onde planetarie e il progressivo cambiamento del bilancio radiativo contribuiscono a ridurre la forza del vortice, mentre aumenta la probabilità che perturbazioni ondulatorie significative modifichino la struttura della circolazione polare.
La differenza tra gennaio e febbraio è importante anche per interpretare gli effetti di QBO ed ENSO. Una determinata perturbazione ondulatoria che raggiunge la stratosfera durante un gennaio caratterizzato da un vortice particolarmente intenso non necessariamente produrrà la stessa risposta se interviene nel mese di febbraio, quando la corrente occidentale si trova già in uno stato climatologicamente più debole. La risposta della stratosfera presenta infatti una forte dipendenza dallo stato di fondo. Il vento zonale controlla le condizioni di propagazione delle onde planetarie e, contemporaneamente, viene modificato dalla loro dissipazione. Questa natura bidirezionale dell’interazione onda–flusso introduce una componente non lineare fondamentale nella dinamica del vortice.
Il confronto mette tuttavia in evidenza anche un bias sistematico del MUAM: lungo l’asse del jet stratosferico il modello tende a simulare venti più intensi rispetto a MERRA-2 sia in gennaio sia in febbraio. Questo risultato rappresenta un elemento importante per valutare criticamente le simulazioni. Un vortice eccessivamente intenso costituisce infatti un bias relativamente comune nei modelli della stratosfera quando il forcing ondulatorio che decelera la circolazione occidentale viene sottostimato. Nel caso analizzato dagli autori, una parte della discrepanza viene attribuita al minor numero di SSW simulato dal MUAM rispetto a quello presente negli anni corrispondenti della rianalisi. Poiché gli SSW determinano un rallentamento molto marcato, e nei casi maggiori persino l’inversione, dei venti zonali della stratosfera polare, una frequenza inferiore di questi eventi conduce inevitabilmente a una climatologia caratterizzata da venti occidentali mediamente più intensi.
La letteratura sugli SSW conferma l’importanza di questo effetto. Baldwin et al. hanno evidenziato come i riscaldamenti stratosferici improvvisi rappresentino le più intense manifestazioni della variabilità dinamica della stratosfera invernale. La rottura e dissipazione delle onde planetarie provenienti dalla troposfera produce una forte decelerazione dei venti occidentali, accompagnata da una rapida discesa dell’aria e da un riscaldamento della regione polare. La presenza o l’assenza di pochi eventi di questo tipo può quindi alterare significativamente le medie mensili e stagionali del vento e della temperatura.
La seconda spiegazione proposta dagli autori per la sovrastima del vento riguarda la parametrizzazione delle onde di gravità orografiche. Le onde di gravità generate dall’interazione del flusso atmosferico con l’orografia hanno scale spaziali generalmente troppo piccole per essere risolte direttamente dai modelli climatici e devono pertanto essere parametrizzate. Quando tali onde si propagano verso l’alto e dissipano, trasferiscono quantità di moto al flusso medio e possono esercitare una significativa forza frenante sulla circolazione zonale. Una sottostima del loro drag tende quindi a produrre jet stratosferici eccessivamente intensi. Questo problema è ampiamente documentato nella letteratura modellistica: confronti tra modelli hanno mostrato che il drag orografico totale può essere sostanzialmente sottostimato nelle simulazioni a risoluzione climatica e stagionale, con conseguenze sulla circolazione stratosferica.
Numerosi studi hanno inoltre mostrato che modificare il gravity-wave drag può produrre variazioni significative dell’intensità del vortice e della circolazione meridionale. Esperimenti condotti con il Whole Atmosphere Community Climate Model hanno dimostrato, per esempio, che l’introduzione o l’intensificazione di un forcing da onde di gravità può ridurre bias del vortice polare e modificare la discesa dell’aria nella stratosfera invernale. Sebbene molte di queste analisi abbiano riguardato in particolare l’emisfero australe, il principio dinamico è generale: la corretta rappresentazione del momentum deposition da parte delle onde di gravità è essenziale per ottenere un bilancio realistico dei venti stratosferici.
Nel MUAM, la nuova parametrizzazione delle onde di gravità orografiche produce comunque un miglioramento evidente della simulazione. Gli autori riportano coefficienti di correlazione superiori a 0,97 tra i campi mediati dell’ensemble e la climatologia trentennale MERRA-2 per vento e temperatura. Un valore così elevato indica che il modello riproduce molto bene la struttura spaziale su larga scala della circolazione, anche se rimangono differenze nell’ampiezza assoluta del vento. Questo aspetto è particolarmente importante per gli obiettivi dello studio, perché le analisi successive sono concentrate principalmente sulle anomalie relative tra differenti esperimenti e non sulla riproduzione esatta della velocità assoluta del jet.
In altri termini, un bias sistematico presente in modo simile in tutti gli ensemble tende in parte a cancellarsi quando vengono calcolate le differenze tra le combinazioni QBO–ENSO. Ciò non significa che il bias possa essere completamente ignorato, poiché l’intensità dello stato di fondo può influenzare la propagazione delle onde, ma rende comunque significativa l’analisi delle differenze relative. È questo uno dei motivi per cui gli studi meccanicistici utilizzano frequentemente anomalie rispetto alla climatologia del modello anziché confrontare direttamente i valori assoluti con le osservazioni.
Particolarmente interessante è la struttura della divergenza del flusso di Eliassen–Palm. Nel quadro del formalismo TEM, il flusso EP rappresenta uno strumento fondamentale per diagnosticare la propagazione e il forcing delle onde sulla circolazione media. La convergenza e la divergenza del flusso permettono infatti di identificare le regioni nelle quali le onde depositano quantità di moto e modificano il vento zonale. Gli autori osservano nella stratosfera delle alte latitudini una struttura associata all’accelerazione del vento zonale, mentre tra circa 20° e 60° N prevale una configurazione corrispondente alla sua decelerazione. Questa distribuzione indica che il forcing ondulatorio non è spazialmente uniforme, ma produce regioni di accelerazione e rallentamento che concorrono a definire la struttura complessiva del vortice.
L’importanza di questa diagnostica emerge chiaramente dalla teoria della circolazione stratosferica. Le onde planetarie che si propagano verso l’alto dalla troposfera esercitano, quando dissipano, un drag sul flusso zonale e alimentano la circolazione meridionale residua. Butchart ha sottolineato come la Brewer–Dobson circulation debba essere interpretata essenzialmente come una circolazione guidata dalle onde: il drag prodotto dalle onde di Rossby e dalle onde di gravità induce un trasporto poleward nella stratosfera e, per continuità di massa, una risalita ai tropici e una discesa alle medie e alte latitudini.
L’analisi congiunta del flusso EP e della circolazione media residua permette pertanto di andare oltre una semplice descrizione del vento. Se una variazione del flusso EP è accompagnata da una modificazione coerente della RMC e della temperatura, è possibile ricostruire l’intera sequenza dinamica attraverso cui l’attività ondulatoria modifica lo stato termodinamico della stratosfera. La formulazione TEM è stata sviluppata proprio per descrivere questo legame, poiché la circolazione residua combina il trasporto medio e quello associato agli eddies in una forma maggiormente rappresentativa del trasporto effettivo della massa atmosferica. La revisione di Butchart mostra come questa formulazione abbia costituito un passaggio fondamentale nella moderna interpretazione della Brewer–Dobson circulation.
Nei campi medi di gennaio e febbraio simulati dal MUAM emerge una profonda cella della circolazione residua nella stratosfera superiore, intorno a 45–55 km di quota. Questa struttura rappresenta la componente profonda della circolazione meridionale associata al trasferimento di massa dalle regioni tropicali e subtropicali verso latitudini più elevate. Ancora più in alto, tra circa 75 e 90 km, prevale un trasporto interemisferico dall’emisfero estivo verso quello invernale. La presenza di tale circolazione è coerente con la dinamica generale della mesosfera, nella quale il forcing delle onde di gravità produce una circolazione meridionale fortemente stagionale, con risalita nell’emisfero estivo e discesa in quello invernale.
Questa struttura verticale aiuta a spiegare la distribuzione delle temperature. La discesa dell’aria provoca riscaldamento adiabatico, mentre la risalita produce raffreddamento. Di conseguenza, le anomalie termiche osservate nella stratosfera e nella mesosfera non possono essere interpretate esclusivamente attraverso il bilancio radiativo locale. Una regione relativamente calda può essere il prodotto di una subsidenza dinamica persistente, mentre una regione fredda può derivare da moti ascendenti. Questa relazione assume particolare importanza durante gli SSW, quando la riorganizzazione della circolazione residua produce contemporaneamente un forte riscaldamento della stratosfera polare e frequentemente un raffreddamento della mesosfera sovrastante. Baldwin et al. descrivono proprio questa risposta verticale come una delle caratteristiche più importanti dell’accoppiamento atmosferico durante i grandi riscaldamenti stratosferici.
Nel MUAM, il ramo profondo della circolazione contribuisce al mantenimento di una regione relativamente calda nella stratosfera superiore che si estende fino alle medie latitudini dell’emisfero settentrionale. Una seconda zona di temperature elevate compare alle basse latitudini tra circa 40 e 55 km, in prossimità della stratopausa. Tale configurazione riflette l’azione combinata del riscaldamento radiativo dell’ozono e della circolazione meridionale. L’ozono assorbe infatti efficientemente la radiazione ultravioletta e contribuisce in maniera determinante alla struttura termica della stratosfera superiore, mentre il trasporto meridionale redistribuisce energia e massa modificando la distribuzione latitudinale della temperatura.
Un risultato particolarmente significativo è la capacità del MUAM di riprodurre l’espansione verso il Polo Nord di questa regione relativamente calda nel passaggio da gennaio a febbraio. La stessa evoluzione è riconoscibile nella rianalisi MERRA-2, insieme a un indebolimento del trasporto meridionale nella regione. Ciò indica che il modello è in grado di rappresentare non soltanto lo stato climatologico medio, ma anche una parte importante dell’evoluzione stagionale della media atmosfera.
Il comportamento della circolazione residua deve essere inserito nel più ampio quadro della Brewer–Dobson circulation. Quest’ultima è caratterizzata da risalita dell’aria nella stratosfera tropicale, trasporto verso i poli e discesa alle medie e alte latitudini. La sua intensità è controllata principalmente dal forcing delle onde e varia significativamente con la stagione. Butchart evidenzia che la componente profonda della Brewer–Dobson circulation è particolarmente importante nella media e alta stratosfera invernale e che le differenze tra modelli dipendono in modo considerevole dalla rappresentazione del forcing delle onde planetarie e delle onde di gravità.
Il buon accordo qualitativo tra MUAM e MERRA-2 per la struttura della RMC rappresenta quindi un risultato rilevante, perché suggerisce che il modello riproduce sufficientemente bene i processi fondamentali di accoppiamento onda–circolazione necessari per l’analisi successiva delle anomalie QBO–ENSO. Non sarebbe infatti sufficiente ottenere campi di vento e temperatura apparentemente realistici se la circolazione residua responsabile del loro equilibrio dinamico fosse completamente errata. La consistenza tra vento, temperatura, flusso EP e RMC fornisce una validazione più robusta dello stato modellistico.
Questa considerazione è particolarmente importante se si tiene conto delle difficoltà riscontrate anche da modelli climatici molto più complessi nel rappresentare correttamente la teleconnessione QBO–vortice. Il confronto QBOi pubblicato da Naoe et al. nel 2025 mostra che il multi-model ensemble riproduce mediamente soltanto circa metà dell’ampiezza osservata della relazione Holton–Tan e che molti modelli presentano QBO troppo deboli nella bassa stratosfera. Nelle rianalisi ERA5 la relazione fra QBO e vortice è particolarmente evidente durante La Niña, mentre la maggior parte dei modelli riproduce solo parzialmente questa amplificazione.
Un altro aspetto che emerge dal confronto è l’importanza di distinguere tra riproduzione della climatologia e riproduzione degli eventi estremi. Il MUAM mostra un’elevata correlazione spaziale con MERRA-2, ma simula meno SSW. Le due affermazioni non sono contraddittorie: un modello può rappresentare molto bene lo stato medio della circolazione e tuttavia avere difficoltà nel riprodurre la frequenza o l’intensità degli eventi rari. Gli SSW sono infatti il risultato di interazioni altamente non lineari tra flusso medio e impulsi di onde planetarie; piccole differenze nella troposfera o nello stato iniziale della stratosfera possono determinare evoluzioni molto differenti. Questo spiega perché la statistica degli SSW costituisca ancora oggi uno dei test più impegnativi per i modelli atmosferici.
Gli esperimenti QBOi forniscono un esempio significativo. Nelle osservazioni, la frequenza degli SSW presenta una chiara dipendenza congiunta dalle fasi della QBO e dell’ENSO, mentre nei modelli questa relazione è molto meno netta. Naoe et al. mostrano che la maggior parte dei sistemi simula più SSW nelle condizioni idealizzate di El Niño rispetto a La Niña, ma non riproduce una differenza robusta tra QBO orientale e occidentale. In ERA5, invece, la forza del vortice e la frequenza degli SSW mostrano una più marcata sensibilità alla fase QBO, in particolare durante La Niña.
La discrepanza nella frequenza degli SSW tra MUAM e MERRA-2 deve quindi essere considerata all’interno di un problema modellistico più generale. Essa non invalida automaticamente le anomalie simulate nelle differenti combinazioni QBO–ENSO, ma suggerisce prudenza quando queste vengono tradotte in probabilità assolute di riscaldamento stratosferico. L’utilità principale del modello consiste nella possibilità di identificare i meccanismi dinamici che favoriscono o ostacolano l’indebolimento del vortice, piuttosto che nel fornire una climatologia esatta del numero di eventi.
Nel complesso, la Figura 1 svolge quindi una funzione metodologica essenziale nell’intero studio. Prima di analizzare in dettaglio la risposta alle quattro configurazioni El Niño–eQBO, El Niño–wQBO, La Niña–eQBO e La Niña–wQBO, gli autori dimostrano che il MUAM riproduce in maniera soddisfacente la struttura tridimensionale della circolazione media. Il modello cattura il maggiore vigore del vortice in gennaio rispetto a febbraio, la configurazione fondamentale del jet stratosferico, la distribuzione del forcing associato al flusso EP, la struttura della circolazione meridionale residua e la principale evoluzione stagionale del campo termico. Al tempo stesso, il confronto con MERRA-2 identifica chiaramente una sovrastima dell’intensità del vento lungo il jet e una frequenza inferiore di SSW, collegabili almeno in parte alla rappresentazione del drag delle onde di gravità.
Questi risultati evidenziano inoltre perché l’analisi delle differenze relative tra gli ensemble rappresenti una scelta appropriata. Una parte considerevole del bias del vento appartiene allo stato medio del modello ed è comune alle differenti simulazioni; sottraendo la climatologia dell’insieme è quindi possibile mettere maggiormente in evidenza le perturbazioni associate alle diverse configurazioni tropicali. Tuttavia, la dipendenza della propagazione ondulatoria dallo stato di fondo implica che il bias non può essere considerato completamente neutrale, e ciò deve essere tenuto presente nell’interpretazione quantitativa dei risultati.
La buona rappresentazione della circolazione residua e dell’evoluzione termica tra gennaio e febbraio assume particolare rilievo perché prepara l’interpretazione delle differenze QBO–ENSO analizzate nelle figure successive. Se, per esempio, una determinata combinazione produce un vortice più debole insieme a una maggiore convergenza del flusso EP e a una modificazione coerente della RMC, il risultato può essere interpretato come la manifestazione di un cambiamento fisicamente consistente nell’interazione onda–flusso. Analogamente, un vortice più intenso accompagnato da una riduzione del forcing ondulatorio e da una differente struttura della circolazione residua fornisce un’indicazione dinamica più robusta rispetto alla semplice anomalia del vento.
Nel quadro generale della dinamica stratosferica, la principale indicazione fornita da questa prima parte dei risultati è pertanto che il MUAM possiede una struttura climatologica sufficientemente realistica per essere utilizzato come laboratorio meccanicistico delle teleconnessioni QBO–ENSO. MERRA-2 conferma la maggior parte delle caratteristiche spaziali e stagionali simulate, mentre le discrepanze rimaste possono essere ricondotte a processi ben identificabili, soprattutto alla frequenza degli SSW e al forcing delle onde di gravità. Il confronto dimostra inoltre quanto sia importante non limitare la valutazione di un modello al solo vento zonale: la coerenza tra vento, temperatura, flusso di Eliassen–Palm e circolazione media residua rappresenta un test molto più completo della qualità dinamica della simulazione.
In questa prospettiva, la separazione tra gennaio e febbraio costituisce uno degli elementi più interessanti dello studio. La maggiore intensità climatologica del vortice in gennaio e il suo progressivo indebolimento in febbraio indicano che le teleconnessioni tropicali agiscono su stati di fondo diversi. Allo stesso tempo, l’evoluzione della circolazione residua e della struttura termica modifica continuamente l’ambiente attraverso cui le onde planetarie trasportano quantità di moto. L’effetto di QBO ed ENSO non può pertanto essere considerato una semplice perturbazione statica sovrapposta alla climatologia invernale, ma deve essere interpretato come un processo dipendente dalla fase stagionale, dalla storia precedente del vortice e dall’attività ondulatoria. Questa conclusione prepara direttamente l’analisi delle successive configurazioni QBO–ENSO, nelle quali emergerà come la risposta del vortice possa variare considerevolmente non soltanto tra El Niño e La Niña o tra QBO orientale e occidentale, ma anche tra gennaio e febbraio, confermando la natura intrinsecamente evolutiva e non lineare dell’accoppiamento tra tropici e stratosfera polare.
Figura 1 – Struttura climatologica del vortice polare, flusso di Eliassen–Palm e circolazione residua: confronto tra MUAM e MERRA-2
La Figura 1 costituisce un passaggio fondamentale nell’analisi di Ermakova et al., poiché prima di attribuire alle differenti combinazioni di QBO ed ENSO eventuali variazioni della forza e della persistenza del vortice polare è necessario verificare che il modello MUAM riproduca in maniera sufficientemente realistica lo stato medio della circolazione atmosferica. La figura confronta infatti i campi medi ottenuti dall’insieme delle simulazioni MUAM con quelli ricavati dalla rianalisi MERRA-2, separando gennaio da febbraio e considerando simultaneamente quattro grandezze strettamente connesse dal punto di vista dinamico: vento zonale medio, divergenza del flusso di Eliassen–Palm, temperatura e circolazione media residua. Non si tratta quindi semplicemente di un confronto tra modello e rianalisi, ma di una verifica della coerenza dell’intera catena dinamica che collega propagazione delle onde, accelerazione o decelerazione del flusso zonale, trasporto meridionale e struttura termica della media atmosfera.
Nei pannelli (a) e (b), relativi rispettivamente a gennaio e febbraio nel MUAM, le isolinee rappresentano il vento zonale medio, mentre le aree colorate indicano la divergenza del flusso di Eliassen–Palm. La caratteristica più evidente è la presenza di un intenso massimo di venti occidentali nella stratosfera e nella bassa mesosfera delle alte latitudini dell’emisfero settentrionale. Questa struttura rappresenta il polar night jet, cioè la componente zonale del vortice polare stratosferico invernale. Nel mese di gennaio il massimo simulato raggiunge valori dell’ordine di 60 m/s intorno a 50–60 km di quota, mentre in febbraio il nucleo del jet risulta già meno intenso, con valori massimi prossimi a 50 m/s. La diminuzione tra gennaio e febbraio non rappresenta un’anomalia, ma riflette l’evoluzione stagionale del vortice boreale: con l’avanzare dell’inverno, il progressivo aumento dell’influenza delle onde planetarie e la modifica del bilancio radiativo contribuiscono a rendere la circolazione stratosferica più vulnerabile alle perturbazioni dinamiche.
Il confronto con MERRA-2, mostrato nei pannelli (e) e (f), conferma questa caratteristica generale. Anche nella rianalisi il vortice appare più intenso in gennaio rispetto a febbraio, evidenziando che il MUAM rappresenta correttamente almeno il segno e l’evoluzione stagionale fondamentale della circolazione polare. MERRA-2 è particolarmente utile come riferimento perché combina un modello atmosferico globale con l’assimilazione sistematica di una vasta gamma di osservazioni e fornisce una ricostruzione tridimensionale coerente dell’atmosfera moderna. Il sistema MERRA-2, descritto da Gelaro et al., è stato concepito proprio per produrre una rianalisi atmosferica omogenea adatta allo studio della variabilità e dei processi dinamici su scala globale.
La somiglianza qualitativa non implica tuttavia una corrispondenza perfetta. Un elemento evidente nella Figura 1 è che MUAM tende a simulare un jet stratosferico più intenso rispetto a MERRA-2. Lungo l’asse principale del vortice, soprattutto nella stratosfera superiore, le isolinee del modello indicano velocità superiori a quelle della rianalisi. Ermakova et al. attribuiscono questa sovrastima principalmente a due fattori: il numero inferiore di SSW prodotto dalle simulazioni rispetto agli anni rappresentati dalla rianalisi e una sottostima residua dell’effetto dinamico delle onde di gravità orografiche. La questione è dinamicamente importante, perché entrambi i processi agiscono direttamente sul bilancio della quantità di moto della stratosfera e quindi sulla forza del jet polare.
L’influenza degli SSW sulla climatologia del vento è particolarmente significativa. Baldwin et al. hanno mostrato come i riscaldamenti stratosferici improvvisi rappresentino episodi durante i quali intense onde planetarie provenienti dalla troposfera si propagano verso l’alto, interagiscono con il flusso medio e possono provocare in pochi giorni il collasso del vortice e, negli eventi maggiori, l’inversione dei venti occidentali climatologici. Un numero anche relativamente piccolo di SSW può quindi ridurre sensibilmente la media mensile o stagionale del vento zonale. Se un modello produce meno riscaldamenti rispetto alla realtà, è ragionevole attendersi una climatologia caratterizzata da un vortice mediamente più intenso e persistente.
Il secondo elemento, relativo alle onde di gravità, riguarda uno dei problemi storicamente più importanti della modellistica della stratosfera. Una parte consistente delle onde di gravità possiede scale orizzontali troppo piccole per essere direttamente risolta dalle griglie dei modelli globali e deve quindi essere parametrizzata. Quando tali onde si propagano verso l’alto e dissipano, trasferiscono quantità di moto al flusso medio e possono esercitare un drag significativo sui venti zonali. Già Palmer et al. dimostrarono che l’assenza o l’insufficiente rappresentazione del drag orografico può contribuire a produrre un bias occidentale nei modelli di circolazione generale. Studi successivi hanno confermato che differenze nella parametrizzazione delle onde di gravità possono tradursi in differenze sostanziali nella struttura dei venti stratosferici e nella persistenza del vortice.
La questione è stata affrontata in modo particolarmente chiaro da McLandress et al., i quali hanno mostrato come un drag orografico insufficiente possa essere associato a vortici polari eccessivamente intensi e persistenti nei modelli. Pur riferendosi principalmente all’emisfero australe, il risultato sottolinea un principio generale: se il trasferimento di quantità di moto dalle onde al flusso medio viene sottostimato, la circolazione occidentale stratosferica tende a risultare eccessivamente forte. Teixeira, nella sua revisione sulla fisica dell’orographic gravity wave drag, ha inoltre sottolineato come il drag prodotto dalle onde orografiche influenzi non soltanto il vento, ma anche la struttura termica della stratosfera attraverso il bilancio dinamico e la circolazione meridionale.
Nonostante tale bias quantitativo, la struttura spaziale della circolazione riprodotta dal MUAM presenta una notevole somiglianza con MERRA-2. È proprio questa somiglianza che rende particolarmente importante la Figura 1. Gli autori riportano infatti correlazioni superiori a 0,97 tra i campi climatologici di vento e temperatura simulati e quelli della rianalisi dopo l’introduzione della nuova parametrizzazione. Ciò significa che, benché il modello non riproduca perfettamente l’ampiezza assoluta di alcune grandezze, la disposizione latitudinale e verticale delle principali strutture dinamiche è molto simile a quella osservata. Per uno studio incentrato soprattutto sulle differenze relative tra esperimenti, questo costituisce un requisito essenziale.
La distribuzione della divergenza del flusso di Eliassen–Palm aggiunge un livello di informazione ancora più importante. Il flusso EP costituisce uno degli strumenti fondamentali della dinamica stratosferica perché permette di diagnosticare l’attività delle onde e il loro accoppiamento con la circolazione zonale media. Nella convenzione adottata dagli autori, le aree caratterizzate da divergenza positiva sono associate a un trasferimento di quantità di moto tale da favorire un’accelerazione occidentale del vento zonale, mentre la convergenza del flusso EP corrisponde a una decelerazione del flusso medio. Nei pannelli del MUAM è evidente una zona di forte divergenza alle alte latitudini nella stratosfera superiore e nella bassa mesosfera, mentre tra le medie latitudini prevalgono regioni di convergenza.
Questa distribuzione non deve essere interpretata come un semplice mosaico di anomalie positive e negative. Essa descrive il modo in cui le onde planetarie ridistribuiscono quantità di moto all’interno dell’atmosfera e quindi contribuiscono a mantenere o modificare il vortice polare. La teoria dell’interazione onda–flusso mostra infatti che le onde di Rossby provenienti dalla troposfera possono propagarsi nella stratosfera soltanto quando la struttura del vento zonale offre condizioni dinamicamente favorevoli. Quando le onde dissipano o si rompono, modificano il flusso medio, che a sua volta altera le condizioni di propagazione delle onde successive. Ne deriva un sistema di feedback nel quale vento zonale e attività ondulatoria non possono essere considerati indipendentemente.
La rilevanza di questo meccanismo appare ancora più evidente durante gli SSW. In questi eventi, un forte incremento del forcing delle onde planetarie provoca una marcata decelerazione del vortice, accompagnata da una riorganizzazione della circolazione meridionale e da una rapida discesa dell’aria nella stratosfera polare. Baldwin et al. descrivono questa sequenza come l’elemento centrale della dinamica degli SSW: propagazione ascendente delle onde, loro rottura, decelerazione della corrente occidentale, subsidenza polare e riscaldamento adiabatico. La Figura 1 può quindi essere considerata una rappresentazione climatologica dello stesso sistema fisico che, quando viene portato a condizioni estreme, conduce al collasso del vortice.
I pannelli (c) e (d) permettono di osservare direttamente la seconda parte di questa catena dinamica. In essi il colore rappresenta la temperatura, mentre le frecce indicano la circolazione media residua attraverso le componenti meridionale e verticale. Il MUAM estende questa rappresentazione dalla troposfera fino a circa 120 km nella figura, rendendo visibile non soltanto la circolazione stratosferica ma anche quella mesosferica. La distribuzione termica mostra la classica struttura verticale della media atmosfera: temperature relativamente basse nella regione della tropopausa tropicale, incremento termico nella stratosfera dovuto soprattutto all’assorbimento della radiazione ultravioletta da parte dell’ozono, massimo termico in prossimità della stratopausa e successivo raffreddamento mesosferico.
La regione relativamente calda intorno a 40–55 km non è però spiegabile esclusivamente in termini radiativi. Le frecce della RMC mostrano come la circolazione dinamica contribuisca a redistribuire massa e calore meridionalmente. La circolazione residua della stratosfera costituisce infatti la rappresentazione dinamica strettamente connessa alla Brewer–Dobson circulation, caratterizzata in termini generali da risalita dell’aria ai tropici, trasporto verso latitudini maggiori e discesa alle medie e alte latitudini. La revisione di Butchart sottolinea che questa circolazione è in larga parte guidata dal forcing delle onde e rappresenta uno dei processi globali più importanti della stratosfera.
Nel mese di gennaio, il MUAM mostra un ramo profondo della circolazione residua nella stratosfera superiore, circa tra 45 e 55 km, associato a un trasporto meridionale che contribuisce alla distribuzione della temperatura fino alle medie e alte latitudini dell’emisfero settentrionale. Questo legame tra circolazione e temperatura deve essere interpretato in termini di riscaldamento e raffreddamento dinamico: quando l’aria scende, aumenta la pressione cui è sottoposta e si riscalda adiabaticamente; quando sale, si espande e si raffredda. La struttura termica osservata nella figura è pertanto il risultato combinato del bilancio radiativo e della circolazione indotta dalle onde.
Alle quote mesosferiche, approssimativamente tra 75 e 90 km, il modello evidenzia invece un pronunciato trasporto dall’emisfero estivo australe verso l’emisfero invernale boreale. Questa configurazione è una caratteristica fondamentale della circolazione mesosferica stagionale. Il drag esercitato soprattutto dalle onde di gravità produce una circolazione meridionale con risalita nell’emisfero estivo e discesa nell’emisfero invernale. Tale processo contribuisce a spiegare una delle caratteristiche apparentemente paradossali della mesosfera terrestre: la regione polare estiva può raggiungere temperature estremamente basse nonostante l’intensa illuminazione solare, proprio perché la forte risalita dinamica produce raffreddamento adiabatico.
Il confronto tra gennaio e febbraio rivela inoltre una significativa evoluzione della regione calda della stratosfera superiore dell’emisfero settentrionale. Nel pannello (d), relativo a febbraio, tale struttura si estende maggiormente verso il polo rispetto a gennaio, mentre il trasporto meridionale cambia intensità e configurazione. Questa evoluzione è particolarmente significativa perché compare anche nei pannelli MERRA-2 (g) e (h). Il modello è quindi in grado di riprodurre non soltanto la distribuzione climatologica generale della temperatura, ma anche una parte importante della sua variazione intrastagionale.
I pannelli MERRA-2 relativi alla temperatura e alla RMC si interrompono intorno a 60–65 km perché, come specificato dagli autori, l’analisi della rianalisi è limitata al livello di 0,1 hPa. La differente estensione verticale dei pannelli non deve dunque essere interpretata come una discrepanza tra modello e osservazioni. MUAM è progettato per raggiungere la termosfera, mentre il confronto con MERRA-2 viene effettuato soltanto nella regione atmosferica in cui i dati della rianalisi sono disponibili per l’analisi in questione. All’interno della regione comune ai due sistemi, tuttavia, la concordanza delle principali strutture è evidente.
È particolarmente interessante osservare come la Figura 1 rappresenti indirettamente la connessione tra dinamica delle onde e circolazione di Brewer–Dobson. Butchart ha mostrato che la Brewer–Dobson circulation non deve essere concepita come una semplice cella termicamente diretta: essa è in larga misura mantenuta dal forcing esercitato dalle onde di Rossby e dalle onde di gravità. La deposizione di quantità di moto produce quello che nella moderna teoria della circolazione viene interpretato come wave-driven circulation, inducendo risalita nella regione tropicale e subsidenza alle latitudini extratropicali. Di conseguenza, flusso EP e RMC costituiscono due rappresentazioni complementari dello stesso accoppiamento dinamico.
Da questo punto di vista, l’analisi simultanea dei pannelli superiori e inferiori della Figura 1 è molto più istruttiva rispetto all’osservazione isolata del vento zonale. Una modifica della propagazione delle onde, diagnosticata attraverso il flusso EP, cambia il forcing del vento medio; la modificazione del vento altera la circolazione meridionale residua; i movimenti verticali della RMC producono infine anomalie termiche attraverso compressione ed espansione adiabatica. La figura mostra dunque una catena dinamica che collega direttamente attività ondulatoria, vortice polare e temperatura.
Questa impostazione acquisisce ulteriore importanza alla luce dei risultati più recenti del progetto QBOi. Naoe et al. hanno mostrato nel 2025 che la relazione tra QBO e vortice polare osservata in ERA5 è particolarmente marcata durante gli inverni La Niña: la correlazione tra vento QBO a 50 hPa e forza del vortice raggiunge valori elevati nella stratosfera, mentre numerosi modelli riproducono soltanto una frazione di questa risposta. Gli autori attribuiscono parte della discrepanza alla tendenza dei modelli a simulare una QBO troppo debole nella bassa stratosfera, confermando quanto lo stato di fondo del vento sia importante nel determinare il percorso e l’efficacia delle onde planetarie.
Il confronto è particolarmente pertinente allo studio di Ermakova et al. perché dimostra che un modello può riprodurre correttamente molte caratteristiche climatologiche e allo stesso tempo sottostimare specifiche teleconnessioni. Naoe et al. mostrano anche che i modelli QBOi tendono a riprodurre in maniera imperfetta la frequenza degli SSW e la sua dipendenza dalle fasi QBO–ENSO. Nelle rianalisi gli SSW risultano più frequenti durante entrambe le fasi non neutrali di ENSO rispetto agli inverni neutrali, mentre molti modelli riproducono soprattutto l’aumento durante El Niño e presentano una risposta troppo debole durante La Niña.
Questo risultato aiuta anche a interpretare con cautela il bias del MUAM. Il fatto che il modello presenti venti medi leggermente troppo intensi non impedisce necessariamente di studiare le differenze relative tra le quattro combinazioni QBO–ENSO, ma rende necessario evitare un’interpretazione troppo letterale dei valori assoluti. Gli stessi autori sottolineano infatti che il loro obiettivo principale è analizzare le variazioni della circolazione rispetto alla media dell’ensemble. Un errore sistematico comune alle diverse simulazioni può ridursi quando vengono considerate le anomalie, anche se non scompare completamente dal punto di vista dinamico, perché lo stato di fondo influenza comunque la propagazione delle onde.
Il passaggio da gennaio a febbraio riveste un significato particolare proprio in questo contesto. Non si tratta soltanto di osservare un vortice più forte in gennaio e più debole in febbraio: significa che le teleconnessioni QBO–ENSO agiscono su due stati di fondo differenti. Il vortice di gennaio offre un ambiente caratterizzato da venti occidentali più intensi, mentre quello di febbraio è mediamente più vulnerabile al forcing ondulatorio. Contemporaneamente, la QBO continua la propria evoluzione verticale e la distribuzione della convezione tropicale associata all’ENSO può cambiare durante l’inverno. Una stessa perturbazione tropicale può quindi avere conseguenze differenti a seconda del momento stagionale in cui raggiunge il sistema extratropicale.
Questo aspetto rappresenta uno dei motivi per cui l’analisi mensile scelta da Ermakova et al. è scientificamente interessante. Una media DJF può infatti mescolare stati dinamici differenti e attenuare teleconnessioni che cambiano segno o intensità nel corso dell’inverno. Lo studio QBOi di Naoe et al. offre un importante sostegno a questa prospettiva: nelle osservazioni la teleconnessione QBO–vortice mostra una maggiore espressione nella prima parte dell’inverno durante El Niño e una risposta più marcata nella parte avanzata della stagione durante La Niña. La struttura temporale della teleconnessione è quindi importante quanto la sua media stagionale.
La Figura 1 fornisce dunque il quadro dinamico entro il quale devono essere interpretati tutti i risultati successivi dello studio. Il vortice polare è più intenso in gennaio che in febbraio; il MUAM tende a sovrastimarne moderatamente l’intensità, ma riproduce correttamente la struttura spaziale e l’evoluzione stagionale; le distribuzioni del flusso EP indicano un’interazione onda–flusso coerente con la dinamica stratosferica; la circolazione media residua mostra il trasporto stratosferico e mesosferico atteso; la struttura della temperatura riflette in modo coerente sia il bilancio radiativo sia il riscaldamento e raffreddamento dinamici associati ai moti verticali.
La concordanza complessiva tra MUAM e MERRA-2 è pertanto più significativa della semplice corrispondenza di un singolo parametro. Se il modello avesse riprodotto correttamente il vento ma non la RMC, oppure una temperatura realistica associata a un forcing ondulatorio irrealistico, sarebbe stato difficile attribuire valore fisico alle successive anomalie QBO–ENSO. La Figura 1 mostra invece che vento, temperatura, forcing ondulatorio e circolazione meridionale risultano mutuamente coerenti e presentano strutture comparabili a quelle della rianalisi, pur in presenza di alcune differenze quantitative.
Nel complesso, la Figura 1 può quindi essere considerata una vera e propria validazione dinamica dello stato di fondo utilizzato nello studio. Essa dimostra che MUAM possiede una climatologia sufficientemente realistica per essere impiegato come laboratorio meccanicistico delle teleconnessioni tropicali verso il vortice polare. Allo stesso tempo, la sovrastima del jet e la minore frequenza degli SSW ricordano che i risultati devono essere interpretati principalmente in termini di variazioni relative e di meccanismi fisici, piuttosto che come una riproduzione esatta della climatologia osservata. È proprio su questo stato medio che le successive combinazioni El Niño–eQBO, El Niño–wQBO, La Niña–eQBO e La Niña–wQBO introducono perturbazioni differenti: seguendo congiuntamente vento zonale, flusso di Eliassen–Palm, temperatura e circolazione residua sarà quindi possibile stabilire non soltanto quale configurazione rafforzi o indebolisca maggiormente il vortice, ma soprattutto attraverso quale sequenza dinamica tale risposta venga prodotta.
Tabella 1 – Selezione degli inverni QBO ed ENSO e significato delle combinazioni per la variabilità del vortice polare stratosferico
La Tabella 1 rappresenta uno degli elementi metodologicamente più importanti dello studio di Ermakova et al., poiché consente di comprendere immediatamente una delle principali difficoltà che caratterizzano l’analisi osservativa delle teleconnessioni tra Quasi-Biennial Oscillation, ENSO e vortice polare stratosferico: il numero relativamente limitato di inverni nei quali determinate fasi della QBO e dell’ENSO si presentano simultaneamente. Gli autori utilizzano i dati della rianalisi MERRA-2 per individuare nove inverni rappresentativi della fase orientale della QBO, nove della fase occidentale, nove eventi di El Niño e nove di La Niña. La selezione non serve soltanto a classificare gli anni dal punto di vista climatologico, ma permette di costruire un riferimento osservativo con cui confrontare le tendenze prodotte dagli esperimenti MUAM. Tuttavia, proprio l’incrocio fra queste categorie evidenzia quanto sia difficile ottenere un campione statisticamente robusto delle quattro possibili combinazioni QBO–ENSO. Gli autori sottolineano infatti che il record disponibile non consente di costruire compositi congiunti sufficientemente numerosi per gennaio e febbraio e che, in campioni molto piccoli, la presenza o l’assenza di pochi riscaldamenti stratosferici improvvisi può incidere sulla forza media del vortice più del segnale tropicale che si vorrebbe isolare.
Gli inverni classificati come eQBO nella tabella sono 1982, 1984, 1987, 1994, 2001, 2010, 2012, 2018 e 2024, mentre quelli appartenenti alla wQBO sono 1983, 1988, 1993, 1995, 2011, 2016, 2017, 2019 e 2023. Per quanto riguarda l’ENSO, vengono selezionati come rappresentativi di El Niño gli inverni 1983, 1987, 1992, 1993, 1998, 2003, 2010, 2016 e 2024, mentre gli episodi di La Niña considerati sono 1989, 1996, 1999, 2000, 2008, 2009, 2011, 2018 e 2021. Il fatto che ogni categoria comprenda esattamente nove inverni permette di effettuare confronti più equilibrati tra le singole fasi, ma non risolve il problema della numerosità quando QBO ed ENSO vengono considerate contemporaneamente.
Gli anni riportati in grassetto assumono quindi un significato particolare, perché identificano le sovrapposizioni tra una fase della QBO e una fase dell’ENSO. Emergono tre casi El Niño–eQBO, corrispondenti al 1987, 2010 e 2024, e tre casi El Niño–wQBO, corrispondenti al 1983, 1993 e 2016. Per La Niña il campione è ancora più ridotto: il 2018 rappresenta la combinazione La Niña–eQBO e il 2011 quella La Niña–wQBO. All’interno della selezione utilizzata dagli autori si dispone quindi di tre realizzazioni per ciascuna delle due combinazioni associate a El Niño, ma di una sola realizzazione per ciascuna combinazione associata a La Niña. Questa forte asimmetria statistica rende evidente perché sarebbe rischioso dedurre da MERRA-2 una climatologia robusta delle quattro configurazioni.
Il problema acquista particolare rilevanza perché il vortice polare stratosferico possiede una notevole variabilità interna. Anche due inverni caratterizzati dalla stessa fase ENSO e dalla stessa fase QBO possono evolvere in maniera profondamente diversa a causa della variabilità della troposfera extratropicale, dell’attività delle onde planetarie e della storia precedente del vortice. La QBO e l’ENSO non determinano quindi in maniera univoca lo stato della stratosfera, ma modificano le condizioni di fondo sulle quali agiscono processi meteorologici più transitori. Questa distinzione è fondamentale: parlare di una maggiore probabilità di vortice debole durante una determinata configurazione non significa che ogni inverno appartenente a quella configurazione debba necessariamente presentare un vortice debole o un SSW.
La relazione statistica più nota tra QBO e vortice è l’effetto Holton–Tan. Numerosi studi osservativi e modellistici hanno mostrato che la fase orientale della QBO nella bassa stratosfera tende a essere associata a un vortice polare boreale mediamente più debole e caldo, mentre la fase occidentale tende a essere associata a una circolazione polare più intensa. Anstey e Shepherd hanno tuttavia sottolineato che questa relazione non costituisce una semplice risposta lineare al segno del vento equatoriale: la teleconnessione dipende dalla struttura verticale della QBO, dalla stagione e dall’interazione con altre sorgenti di variabilità interannuale, tra cui proprio ENSO. La tabella di Ermakova et al. deve quindi essere interpretata alla luce di questa complessità, e non come una semplice suddivisione in anni favorevoli e sfavorevoli al vortice.
Dal punto di vista dinamico, la fase della QBO modifica la struttura dei venti tropicali e subtropicali attraverso cui devono propagarsi le onde planetarie dirette verso le alte latitudini. Durante eQBO, determinate configurazioni del vento zonale possono favorire uno spostamento e una maggiore penetrazione dell’attività ondulatoria nella stratosfera invernale, aumentando il forcing esercitato sul vortice. La dissipazione delle onde di Rossby trasferisce quantità di moto al flusso medio e può rallentare i venti occidentali stratosferici, intensificando contemporaneamente la circolazione residua e il riscaldamento dinamico delle regioni polari. Durante wQBO, il percorso delle onde può invece risultare mediamente meno favorevole a questo tipo di disturbo, consentendo al vortice di mantenere una struttura più intensa. Si tratta tuttavia di una relazione statistica, il cui segnale può essere sensibilmente modificato dall’ENSO e dalla variabilità troposferica.
Gli anni di El Niño presenti nella tabella introducono infatti un secondo importante meccanismo di teleconnessione. La revisione di Domeisen, Garfinkel e Butler mostra che El Niño è mediamente associato a un aumento della propagazione anomala delle onde verso la stratosfera extratropicale, a un rafforzamento della circolazione di Brewer–Dobson e a un vortice polare stratosferico più debole e caldo. Per La Niña vengono frequentemente osservate anomalie di segno opposto, anche se la risposta è meno simmetrica e presenta una notevole dipendenza dalla diversità degli eventi ENSO. Questo significa che la temperatura superficiale del Pacifico non controlla direttamente il vortice: l’influenza passa attraverso la riorganizzazione della convezione tropicale, la generazione di onde di Rossby, le teleconnessioni troposferiche e infine la propagazione ondulatoria verso la stratosfera.
La combinazione El Niño–eQBO, rappresentata nella Tabella 1 dagli inverni 1987, 2010 e 2024, può apparire particolarmente interessante perché riunisce due condizioni che, in senso climatologico, sono spesso associate a un aumento della vulnerabilità del vortice. El Niño può favorire un maggiore forcing delle onde planetarie provenienti dalla troposfera, mentre eQBO può modificare lo stato stratosferico in modo da facilitare l’interazione di tali onde con il vortice. Non ne consegue tuttavia che la risposta debba essere semplicemente additiva. La posizione delle anomalie convettive del Pacifico, la struttura verticale della QBO, l’intensità del vortice all’inizio dell’inverno e gli episodi specifici di forcing ondulatorio possono amplificare o attenuare fortemente il segnale.
La configurazione opposta dal punto di vista delle tendenze climatologiche, La Niña–wQBO, è rappresentata nella tabella dal solo inverno 2011. In termini dinamici generali, La Niña è spesso associata a un vortice più intenso, mentre la wQBO tende anch’essa a favorirne il rafforzamento attraverso la teleconnessione Holton–Tan. È quindi plausibile attendersi una cooperazione tra le due forzanti verso una circolazione stratosferica relativamente robusta. È proprio questa configurazione che, negli esperimenti MUAM di Ermakova et al., produce il vortice più intenso e persistente e una ridotta probabilità di SSW sia in gennaio sia in febbraio. Tuttavia, la Tabella 1 dimostra chiaramente perché questa conclusione non potrebbe essere derivata con sicurezza dal solo record MERRA-2: un singolo inverno osservato non costituisce una base sufficiente per stabilire una relazione climatologica. Il modello viene quindi utilizzato per testare il meccanismo in condizioni controllate, non per sostituire l’informazione osservativa.
Particolarmente interessante, a questo proposito, è il lavoro di Kumar, Yoden e Hitchman, che ha analizzato quarant’anni di rianalisi ERA-Interim dal 1979 al 2018. Gli autori hanno riscontrato che durante wQBO il vortice polare e i jet subtropicali tendono a essere più forti e, soprattutto, che il segnale della QBO sul vortice risulta amplificato durante La Niña. Hanno inoltre distinto due percorsi della teleconnessione: una via stratosferica, strettamente legata alla modulazione dell’assorbimento delle onde planetarie e all’effetto Holton–Tan, e una via troposferica, attraverso la quale la circolazione meridionale associata alla QBO modifica l’alta troposfera e la bassa stratosfera subtropicale. La risposta del vortice emerge quindi dall’interazione tra questi percorsi e dalla fase dell’ENSO.
La configurazione El Niño–wQBO, rappresentata dagli inverni 1983, 1993 e 2016, è dinamicamente ancora più interessante perché mette in concorrenza due influenze climatologiche differenti. El Niño tende mediamente a favorire maggiore attività ondulatoria e un vortice più debole, mentre wQBO tende a essere associata a un vortice più forte. In un simile caso non è possibile prevedere il segno della risposta semplicemente sommando le due influenze. È proprio uno dei risultati più rilevanti dello studio MUAM: durante El Niño, la fase della QBO produce risposte differenti tra gennaio e febbraio e la configurazione El Niño–wQBO, che non determina il massimo indebolimento in gennaio, diventa invece quella associata al vortice più debole e caldo in febbraio. Questo comportamento dimostra che la stagionalità e la memoria dinamica del vortice possono modificare profondamente l’interazione tra le due teleconnessioni.
Allo stesso modo, La Niña–eQBO, rappresentata nella tabella soltanto dal 2018, combina una forzante ENSO generalmente associata a una circolazione polare più intensa con una fase QBO statisticamente favorevole a un vortice più perturbato. Anche in questo caso non esiste una risposta obbligata. L’eQBO può favorire la propagazione ondulatoria nella stratosfera, mentre La Niña può modificare la distribuzione delle sorgenti troposferiche delle onde in senso differente rispetto a El Niño. Il risultato dipende quindi da quale processo domini e dal momento stagionale in cui l’interazione si verifica.
Questa impossibilità di dedurre un comportamento univoco dalle semplici categorie climatiche costituisce una delle lezioni più importanti della tabella. QBO ed ENSO non rappresentano interruttori che accendono o spengono il vortice polare, bensì condizioni di fondo che modificano probabilisticamente la risposta dell’atmosfera. Tale interpretazione è coerente anche con lo studio di Butler e Polvani, che analizzando 53 anni di rianalisi hanno trovato che gli SSW maggiori erano quasi due volte più frequenti negli inverni ENSO rispetto agli inverni neutrali, ma, sorprendentemente, si verificavano con probabilità comparabile durante El Niño e La Niña. Il risultato dimostra che la risposta media del vortice e la frequenza degli eventi estremi non devono essere considerate equivalenti. Un vortice mediamente più forte può comunque subire un grande SSW se un episodio sufficientemente intenso di forcing ondulatorio raggiunge la stratosfera.
Questo punto è essenziale per comprendere perché gli autori di Ermakova et al. pongano tanta enfasi sulla numerosità del campione. Supponiamo, per esempio, che una determinata combinazione QBO–ENSO sia rappresentata da tre inverni e che uno di essi contenga un major SSW particolarmente intenso. Il forte rallentamento del vento zonale prodotto dall’evento potrebbe alterare profondamente la media del composito, facendo apparire l’intera configurazione QBO–ENSO come favorevole a un vortice debole. Con centinaia di inverni questo effetto tenderebbe a compensarsi; con tre casi, invece, può dominare la statistica. Nel caso delle combinazioni La Niña presenti nella Tabella 1, con un solo inverno per ciascuna configurazione congiunta, il problema diventa ancora più evidente.
La scarsità dei casi non dipende semplicemente dalla lunghezza di MERRA-2, ma anche dalla natura temporale dei due fenomeni. La QBO presenta una periodicità quasi biennale ma irregolare, mentre ENSO ha durata e ricorrenza variabili. Le rispettive fasi non sono sincronizzate e le loro combinazioni si distribuiscono quindi in maniera non uniforme nel tempo. Inoltre, non tutti gli El Niño sono dinamicamente equivalenti. La letteratura distingue, per esempio, eventi con anomalie massime nel Pacifico orientale da eventi maggiormente concentrati nel Pacifico centrale, e questa diversità modifica la posizione della convezione tropicale e la struttura delle teleconnessioni extratropicali. Domeisen et al. hanno sottolineato proprio la diversità degli eventi ENSO come una delle maggiori fonti di incertezza nell’interpretazione della teleconnessione stratosferica.
La QBO presenta una complessità analoga. Classificare un inverno come eQBO o wQBO è utile, ma non descrive completamente la struttura verticale del vento equatoriale. Anstey e Shepherd hanno evidenziato che rimane una questione fondamentale stabilire quali livelli verticali della QBO esercitino la maggiore influenza sul vortice polare e come la teleconnessione dipenda dalla struttura degli shear. Due inverni classificati entrambi come eQBO possono presentare differenze nell’altezza, nell’ampiezza e nella fase discendente delle anomalie del vento; queste differenze possono modificare il percorso delle onde planetarie e quindi la risposta delle alte latitudini.
Il valore metodologico degli esperimenti MUAM emerge precisamente da queste limitazioni. Gli autori costruiscono quattro ensemble artificialmente equilibrati, ognuno formato da dieci simulazioni, corrispondenti a El Niño–eQBO, El Niño–wQBO, La Niña–eQBO e La Niña–wQBO. In questo modo tutte le configurazioni dispongono dello stesso numero di membri e possono essere confrontate in condizioni sostanzialmente controllate. Il modello permette quindi di realizzare un esperimento che il clima osservato non può fornire: ripetere più volte ciascuna combinazione mantenendo il più possibile costanti gli altri fattori. È proprio questa strategia che consente di separare la tendenza dinamica associata alle forzanti tropicali dalla variabilità casuale che caratterizza i singoli inverni.
Naturalmente, l’esperimento modellistico non elimina tutte le incertezze. Il MUAM utilizza una QBO prescritta mediante nudging e una rappresentazione idealizzata dell’ENSO attraverso il riscaldamento latente, e il numero di dieci membri per ensemble rimane limitato se confrontato con la grande variabilità interna del vortice. Tuttavia, la simmetria degli ensemble rappresenta un enorme vantaggio rispetto alla distribuzione osservativa riportata nella Tabella 1. Il confronto tra le due fonti di informazione assume quindi una natura complementare: MERRA-2 fornisce un controllo realistico della struttura atmosferica, mentre il modello permette di isolare la risposta causale in un ambiente più controllato.
La Tabella 1 consente anche di comprendere perché la letteratura recente abbia fatto sempre maggiore ricorso a grandi ensemble e progetti multi-modello. Lo studio di Kumar et al., pur utilizzando quarant’anni di ERA-Interim, deve comunque confrontarsi con la limitata numerosità delle combinazioni QBO–ENSO. Il progetto QBOi è stato sviluppato proprio per superare in parte questa difficoltà attraverso esperimenti coordinati, capaci di confrontare la risposta di numerosi modelli in condizioni tropicali controllate. La necessità di questi approcci deriva dal fatto che la teleconnessione QBO–vortice è relativamente debole rispetto alla variabilità interna atmosferica e richiede campioni ampi per essere separata con sicurezza dal rumore meteorologico.
Il significato scientifico della Tabella 1 va dunque ben oltre l’elenco degli anni. Essa evidenzia una questione fondamentale della climatologia stratosferica: la rarità statistica delle combinazioni non permette di identificare direttamente una relazione causale a partire da pochi compositi osservativi. Una correlazione osservata tra una fase tropicale e un vortice forte o debole potrebbe derivare dal segnale reale della teleconnessione, ma potrebbe anche essere alterata dalla presenza casuale di SSW, dalla diversa intensità degli eventi ENSO, dalla struttura verticale della QBO, dalla Madden–Julian Oscillation, dalle anomalie troposferiche del Pacifico settentrionale o dell’Atlantico e da numerosi altri fattori.
In questo senso, il caso del 2011 e quello del 2018 sono particolarmente istruttivi. Il fatto che essi rappresentino rispettivamente l’unica realizzazione La Niña–wQBO e La Niña–eQBO all’interno della selezione non consente di utilizzare le loro caratteristiche specifiche come rappresentazione climatologica universale delle due configurazioni. Qualunque differenza tra quei due inverni includerebbe inevitabilmente non soltanto la diversa fase della QBO, ma l’intera storia meteorologica e dinamica di ciascun anno. Soltanto attraverso simulazioni ripetute oppure archivi molto più lunghi sarebbe possibile separare statisticamente queste componenti.
La situazione è leggermente migliore per El Niño, dove entrambe le fasi QBO dispongono di tre casi, ma tre inverni rimangono comunque insufficienti per una stima particolarmente robusta della frequenza degli eventi estremi. Questa limitazione diventa ancora più importante nello studio di Ermakova et al. perché gli autori non analizzano soltanto la media dell’intero inverno, ma distinguono gennaio da febbraio. La suddivisione mensile aumenta l’interesse fisico dell’analisi, ma riduce ulteriormente la quantità di informazione indipendente disponibile nel record osservativo.
Allo stesso tempo, proprio questa separazione temporale permette di evidenziare un risultato che una media stagionale potrebbe nascondere: durante El Niño, la configurazione maggiormente associata a un vortice debole cambia tra eQBO in gennaio e wQBO in febbraio. Tale comportamento suggerisce che il segnale della QBO non possa essere interpretato indipendentemente dallo stato stagionale del vortice. La struttura verticale dei venti equatoriali evolve, il vortice stesso cambia intensità climatologica e gli SSW verificatisi a fine gennaio possono lasciare una memoria dinamica che persiste nel mese successivo. La tabella fornisce quindi il contesto osservativo che spiega perché il modello sia necessario per analizzare questa evoluzione senza essere eccessivamente condizionato dalla scarsità degli eventi reali.
Dal punto di vista della prevedibilità stagionale, la questione assume un’importanza notevole. QBO ed ENSO sono entrambi fenomeni relativamente persistenti e prevedibili con un anticipo maggiore rispetto alla variabilità meteorologica troposferica. Se la loro combinazione modifica realmente la distribuzione probabilistica della forza del vortice, essa potrebbe fornire informazione utile per la previsione sub-stagionale e stagionale. Tuttavia, la Tabella 1 ricorda che trasformare queste relazioni in strumenti previsionali richiede campioni molto più robusti di quelli disponibili da singole combinazioni osservate. L’utilità di QBO ed ENSO non consiste quindi nel determinare in anticipo se avverrà un SSW, ma nel modificare la probabilità di fondo di determinati regimi stratosferici.
Nel complesso, i dati della Tabella 1 mostrano con particolare chiarezza il motivo per cui la moderna ricerca sulla stratosfera combina osservazioni, rianalisi e modellistica. Le rianalisi permettono di descrivere l’atmosfera reale e di verificare che le teleconnessioni simulate possiedano una controparte osservativa; gli esperimenti modellistici consentono invece di ripetere artificialmente configurazioni che nella realtà si verificano troppo raramente per essere analizzate con sufficiente potenza statistica. La selezione dei nove inverni per ciascuna fase fornisce quindi agli autori una base per valutare le tendenze generali di QBO ed ENSO separatamente, mentre gli ensemble MUAM permettono di studiarne l’interazione con un campione bilanciato.
La principale conclusione che emerge dalla Tabella 1 non è dunque che una determinata combinazione produca inevitabilmente un vortice forte o debole, ma che il record osservativo disponibile è troppo breve e troppo influenzato dalla variabilità interna per consentire una simile generalizzazione senza il supporto della modellistica. La eQBO, la wQBO, El Niño e La Niña rappresentano condizioni di fondo dinamicamente importanti, ma la risposta del vortice dipende dall’interazione tra queste forzanti, dalla propagazione delle onde planetarie e dalla storia dell’inverno stesso. La tabella costituisce pertanto una giustificazione empirica dell’intera strategia adottata da Ermakova et al.: utilizzare MERRA-2 per mantenere il legame con la realtà atmosferica e il MUAM per effettuare il tipo di esperimento controllato che il breve archivio osservativo non può offrire. È proprio dall’integrazione di questi due approcci che diventa possibile valutare con maggiore affidabilità come le teleconnessioni provenienti dai tropici possano contribuire, insieme alla variabilità interna, a determinare la forza, la persistenza e la suscettibilità alle perturbazioni del vortice polare stratosferico.
Tabella 2 – Frequenza, stagionalità e intensità dei riscaldamenti stratosferici improvvisi nelle diverse combinazioni QBO–ENSO
I dati riportati nella Tabella 2 costituiscono uno dei risultati più significativi dello studio di Ermakova et al., poiché permettono di osservare direttamente come la suscettibilità del vortice polare stratosferico ai riscaldamenti stratosferici improvvisi vari al modificarsi della combinazione tra El Niño–Southern Oscillation e Quasi-Biennial Oscillation. A differenza dell’analisi dei campi medi di vento e temperatura, che descrive lo stato climatologico del vortice, questa tabella consente di esaminare il comportamento episodico della stratosfera all’interno dei singoli membri degli ensemble. Ciascuna delle quattro configurazioni, El Niño–eQBO, El Niño–wQBO, La Niña–eQBO e La Niña–wQBO, comprende dieci simulazioni indipendenti, permettendo quindi di confrontare in condizioni numericamente equilibrate sia gli episodi di aumento della temperatura polare sia quelli nei quali la perturbazione evolve fino all’inversione del vento zonale. Proprio quest’ultima caratteristica identifica, secondo i criteri adottati nello studio, gli eventi maggiori evidenziati in grassetto. Dal punto di vista dinamico questa distinzione è fondamentale, perché un aumento della temperatura stratosferica non implica necessariamente il completo collasso del vortice: un major sudden stratospheric warming richiede una perturbazione sufficientemente intensa da determinare anche l’inversione della circolazione occidentale invernale. La revisione di Baldwin et al. sottolinea come tale inversione rappresenti uno degli elementi dinamici centrali degli SSW maggiori e derivi dalla rottura e dal deposito di quantità di moto delle onde planetarie provenienti dalla troposfera.
La prima caratteristica che emerge dalla tabella è la fortissima risposta della configurazione El Niño–eQBO. Nei dieci membri dell’ensemble vengono identificati dodici episodi di aumento della temperatura stratosferica e sette inversioni del vento zonale, distribuite in cinque differenti simulazioni. Ciò significa che metà dei membri dell’ensemble sperimenta almeno un episodio nel quale il disturbo del vortice raggiunge il livello necessario per produrre un major SSW secondo la classificazione dello studio. È importante distinguere il numero complessivo delle inversioni, pari a sette, dal numero degli inverni modellistici interessati, pari a cinque, perché il run 4 presenta tre differenti episodi con inversione. Questa elevata concentrazione di eventi nella configurazione El Niño–eQBO rappresenta un’evidenza particolarmente chiara della capacità delle due forzanti tropicali di predisporre, nel MUAM, uno stato stratosferico fortemente vulnerabile al forcing ondulatorio.
Il comportamento è coerente, almeno qualitativamente, con due relazioni climatologiche ampiamente documentate. Da un lato, El Niño tende mediamente a essere associato a un vortice polare boreale più caldo e debole, a una maggiore propagazione anomala delle onde verso la stratosfera e a un rafforzamento della circolazione di Brewer–Dobson. Dall’altro, la fase orientale della QBO è tradizionalmente associata al cosiddetto effetto Holton–Tan, attraverso il quale la struttura dei venti tropicali e subtropicali modifica le condizioni di propagazione delle onde planetarie e tende statisticamente a favorire una circolazione polare meno intensa. La revisione di Domeisen, Garfinkel e Butler mostra come la teleconnessione ENSO–stratosfera coinvolga proprio un’anomala propagazione ascendente delle onde extratropicali durante El Niño, mentre la letteratura sulla QBO indica che la fase equatoriale può modulare il modo in cui tali onde raggiungono e interagiscono con il vortice.
La Tabella 2 suggerisce quindi che, almeno nelle simulazioni MUAM, El Niño ed eQBO possano creare una configurazione nella quale la stratosfera polare risulta particolarmente predisposta a trasformare gli impulsi ondulatori in perturbazioni profonde del vortice. Ciò non significa necessariamente che i due effetti siano semplicemente additivi. Il sistema stratosferico è fortemente dipendente dallo stato e la propagazione delle onde modifica il vento medio, mentre il vento medio modifica a sua volta la propagazione delle onde successive. Ne deriva una dinamica non lineare nella quale una perturbazione relativamente modesta può arrestarsi senza produrre un’inversione, mentre un altro impulso che interviene su un vortice già indebolito può innescare una risposta molto più intensa.
Il run 4 della configurazione El Niño–eQBO rappresenta un esempio particolarmente significativo. Il modello identifica un riscaldamento il 27 dicembre seguito dall’inversione del vento il 2 gennaio, un nuovo aumento termico il 14 gennaio seguito da un’ulteriore inversione il 1° febbraio e un terzo episodio iniziato il 9 febbraio con inversione il 16 febbraio. Più che interpretare meccanicamente questi episodi come tre eventi climatologicamente indipendenti, il loro significato principale consiste nel mostrare quanto persistentemente perturbato possa diventare il vortice all’interno di questa configurazione modellistica. La dinamica stratosferica possiede infatti una memoria considerevole: dopo una forte perturbazione, il vortice può richiedere settimane per ricostituirsi e la circolazione successiva evolve su uno stato di fondo già profondamente modificato. Baldwin et al. evidenziano come gli SSW possano modificare la circolazione dalla stratosfera alla mesosfera e, in alcuni casi, mantenere anomalie dinamiche per periodi molto più lunghi della fase iniziale di rapido riscaldamento.
Anche gli intervalli temporali fra l’inizio dell’aumento termico e l’inversione del vento contengono informazioni interessanti. Nei diversi eventi El Niño–eQBO il ritardo varia da pochi giorni a oltre due settimane. Per esempio, nel run 9 l’aumento del 27 dicembre è seguito dall’inversione il 29 dicembre, mentre nel run 10 il riscaldamento del 6 gennaio precede l’inversione del 22 gennaio. Questo dimostra che la componente termica e quella dinamica dell’SSW non evolvono necessariamente in modo simultaneo. Il riscaldamento polare è legato alla subsidenza e alla compressione adiabatica prodotte dalla circolazione residua, mentre l’inversione del vento richiede che il forcing ondulatorio eserciti una decelerazione sufficientemente grande e persistente sul flusso occidentale. L’evoluzione di un major SSW deve quindi essere concepita come una sequenza dinamica, non come il semplice superamento istantaneo di una soglia termica.
Questo concetto diventa ancora più evidente osservando i numerosi episodi nei quali la temperatura aumenta senza che si verifichi alcuna inversione. Nella configurazione El Niño–eQBO, i run 1, 3, 7 e 8 mostrano perturbazioni termiche rispettivamente il 28 dicembre, l’8 gennaio, il 2 gennaio e il 19 gennaio senza un successivo wind reversal riportato nella tabella. Ciò indica che il vortice può subire un riscaldamento e un indebolimento importanti rimanendo comunque dinamicamente in regime occidentale. Gli SSW maggiori costituiscono infatti soltanto l’estremo di un continuum più ampio di variabilità del vortice, che comprende eventi minori, warming senza inversione e periodi di forte disturbo ondulatorio.
La configurazione El Niño–wQBO presenta una struttura molto differente. Gli episodi di aumento della temperatura rimangono numerosi, nove nell’intero ensemble, ma le inversioni del vento scendono a due, localizzate nei run 6 e 7. Ancora più interessante è la loro collocazione temporale: entrambe avvengono in febbraio. Nel run 6 l’aumento della temperatura del 9 febbraio è seguito dall’inversione il 17 febbraio; nel run 7, dopo un primo riscaldamento il 6 gennaio privo di inversione, un nuovo episodio il 13 febbraio precede il wind reversal del 23 febbraio. Il contrasto con El Niño–eQBO è quindi duplice: diminuisce il numero complessivo delle inversioni, ma quelle che rimangono si spostano verso la fase più avanzata dell’inverno.
Questa evoluzione costituisce uno dei risultati più interessanti di Ermakova et al., perché mostra che l’influenza della QBO sul vortice durante El Niño non può essere descritta attraverso una relazione stagionalmente invariabile. In gennaio, eQBO appare decisamente più favorevole all’indebolimento estremo del vortice; in febbraio, invece, gli eventi maggiori El Niño dell’ensemble wQBO diventano più evidenti. Tale comportamento concorda con i campi medi dello studio, nei quali il vortice più debole e caldo sotto El Niño passa dalla configurazione eQBO in gennaio alla configurazione wQBO nel mese successivo. Questo risultato non deve essere interpretato come una negazione dell’effetto Holton–Tan, ma come dimostrazione della sua dipendenza dall’evoluzione stagionale dello stato di fondo.
La ricerca osservativa e modellistica mostra infatti che la teleconnessione QBO–vortice è modulata da ENSO e non presenta necessariamente la medesima ampiezza durante tutta la stagione. Kumar et al., analizzando quarant’anni di ERA-Interim, hanno trovato che la QBO occidentale tende a rafforzare il vortice e che il segnale QBO può essere particolarmente amplificato durante La Niña. Gli autori identificano inoltre sia una via stratosferica, connessa alla modulazione dell’assorbimento delle onde planetarie attraverso il meccanismo Holton–Tan, sia una via troposferica che coinvolge l’alta troposfera e la bassa stratosfera tropicale e subtropicale. L’interazione QBO–ENSO deve quindi essere vista come il risultato di molteplici percorsi dinamici piuttosto che come una semplice somma di due indici climatici.
La terza configurazione, La Niña–eQBO, offre un ulteriore elemento di interesse. Anche qui si osservano nove episodi di aumento della temperatura, un numero identico a quello della combinazione El Niño–wQBO, ma soltanto uno evolve fino all’inversione del vento. L’evento compare nel run 6, con aumento termico il 30 gennaio e inversione il 9 febbraio. Gli altri riscaldamenti, distribuiti tra dicembre, gennaio e febbraio, non raggiungono la soglia dinamica necessaria per produrre un major SSW. Questo risultato suggerisce che la presenza della eQBO non sia sufficiente da sola a garantire una forte vulnerabilità del vortice: lo stato ENSO modifica sensibilmente il modo in cui la stessa fase QBO si manifesta alle alte latitudini.
La differenza tra El Niño–eQBO e La Niña–eQBO è particolarmente eloquente. Nel primo caso si contano sette inversioni, nel secondo una sola, nonostante entrambe le configurazioni condividano la fase orientale della QBO. La spiegazione fisica più plausibile si trova nella diversa struttura delle teleconnessioni troposferiche associate all’ENSO. El Niño tende generalmente a produrre anomalie della convezione tropicale e della circolazione del Pacifico che possono rafforzare la propagazione delle onde planetarie verso la stratosfera. La Niña produce spesso una risposta media di segno opposto, con un vortice più intenso, sebbene la relazione non sia perfettamente simmetrica e presenti forte variabilità da evento a evento. Domeisen et al. sottolineano proprio come la diversità degli eventi ENSO e la non linearità delle teleconnessioni costituiscano elementi fondamentali della risposta stratosferica.
Il risultato più netto della Tabella 2 riguarda tuttavia La Niña–wQBO. In nessuno dei dieci membri dell’ensemble viene indicato un aumento termico classificato come SSW e non viene registrata alcuna inversione del vento. All’interno dell’esperimento MUAM, questa combinazione rappresenta quindi lo stato caratterizzato dalla maggiore stabilità del vortice polare. Il risultato è perfettamente coerente con i campi medi dello stesso studio, nei quali La Niña–wQBO determina il vortice più intenso e persistente, una stratosfera polare relativamente fredda e una configurazione della circolazione residua e del flusso EP favorevole al mantenimento di forti venti occidentali.
Il risultato trova inoltre un interessante riscontro nel lavoro di Kumar et al., che nelle rianalisi ERA-Interim identifica durante wQBO un rafforzamento del vortice e mostra come il segnale della QBO sia amplificato proprio sotto La Niña. Se interpretato in termini dinamici, il comportamento della Tabella 2 suggerisce che la combinazione La Niña–wQBO generi nel MUAM un background poco favorevole alla propagazione e alla deposizione di una quantità sufficiente di attività ondulatoria nella stratosfera polare da provocarne il collasso.
Tuttavia, il confronto con gli studi osservativi più ampi impone una cautela essenziale. Butler e Polvani, analizzando 53 anni di rianalisi, hanno trovato che gli SSW maggiori si verificavano con frequenza pressoché equivalente durante El Niño e La Niña e con frequenza quasi doppia in entrambe le fasi rispetto agli inverni ENSO neutrali. Nel loro campione erano presenti 13 major SSW durante El Niño e 14 durante La Niña, e la fase orientale della QBO risultava associata a una maggiore frequenza degli eventi indipendentemente da ENSO. Il record osservativo non supportava quindi una semplice associazione secondo cui La Niña avrebbe dovuto sopprimere sistematicamente gli SSW.
Ancora più interessante è il confronto con gli esperimenti QBOiENSO pubblicati nel 2025. Nelle rianalisi ERA5 analizzate da Naoe et al., il vortice polare risulta mediamente più forte durante La Niña rispetto a El Niño, ma la frequenza degli SSW maggiori è leggermente più elevata durante La Niña. Inoltre, proprio durante La Niña emerge una forte dipendenza dalla fase QBO: gli SSW risultano significativamente più frequenti sotto QBO-E e meno frequenti sotto QBO-W. Durante El Niño, invece, la differenza osservata nella frequenza degli SSW tra QBO orientale e occidentale è molto meno evidente. I modelli QBOi, a loro volta, tendono a produrre più SSW sotto El Niño che sotto La Niña e mostrano generalmente una distinzione troppo debole fra le fasi della QBO.
Questo confronto è estremamente importante per interpretare correttamente la Tabella 2. Il forte contrasto MUAM fra El Niño–eQBO e La Niña–wQBO è dinamicamente plausibile e in parte coerente con alcune relazioni note, ma non può essere trasformato direttamente in una legge climatologica universale. In particolare, l’assenza di SSW nei dieci membri La Niña–wQBO deve essere interpretata come una proprietà dell’ensemble considerato, non come la dimostrazione che un SSW sia impossibile in natura quando La Niña coincide con wQBO. L’atmosfera reale comprende una gamma molto più ampia di forzanti troposferiche, strutture QBO, intensità ENSO e configurazioni delle onde rispetto a quelle campionate da dieci simulazioni.
La discrepanza fra la frequenza degli SSW e lo stato medio del vortice evidenziata da Naoe et al. è inoltre scientificamente molto istruttiva. Un vortice climatologicamente più forte non implica necessariamente una frequenza minore di eventi estremi. Gli SSW dipendono infatti da episodi specifici di amplificazione e propagazione delle onde planetarie, mentre la media stagionale del vortice integra condizioni molto differenti lungo diversi mesi. È quindi possibile che una configurazione produca un vortice mediamente forte ma sia occasionalmente soggetta a impulsi ondulatori estremamente intensi capaci di provocarne il collasso. Proprio per questa ragione Butler e Polvani avevano trovato frequenze di SSW comparabili durante El Niño e La Niña nonostante le note differenze nello stato medio della stratosfera.
La Tabella 2 permette anche di approfondire la relazione fra riscaldamento e inversione dei venti. Complessivamente, El Niño–eQBO produce dodici aumenti termici e sette inversioni, El Niño–wQBO nove aumenti e due inversioni, La Niña–eQBO nove aumenti e una sola inversione, mentre La Niña–wQBO non mostra nessuno dei due fenomeni. La progressiva diminuzione del rapporto fra riscaldamenti e inversioni suggerisce che le quattro configurazioni non differiscano soltanto nella frequenza con cui il vortice viene disturbato, ma anche nella probabilità che un disturbo già iniziato evolva verso un collasso dinamico completo.
In termini fisici, un incremento della temperatura polare indica che la circolazione residua ha già subito una riorganizzazione significativa, spesso in risposta al forcing ondulatorio. Tuttavia, per invertire il vento è necessario rimuovere una quantità sufficiente di momento dal jet stratosferico. Se il vortice iniziale è molto intenso, come nella configurazione La Niña–wQBO, il forcing necessario è maggiore; se esso è già precondizionato da precedenti disturbi o presenta venti più deboli, la stessa quantità di attività ondulatoria può produrre conseguenze più drastiche. Questo concetto di preconditioning è centrale nella dinamica degli SSW e contribuisce a spiegare perché il medesimo impulso troposferico possa determinare risposte molto differenti da un inverno all’altro.
La distribuzione temporale degli eventi rafforza ulteriormente questa interpretazione. Gli SSW maggiori El Niño–eQBO sono concentrati soprattutto fra la fine di dicembre e gennaio, mentre quelli El Niño–wQBO si manifestano nella seconda metà di febbraio. Il risultato suggerisce che l’efficacia relativa delle due fasi QBO cambi con l’evoluzione stagionale del vortice. Tra gennaio e febbraio cambiano infatti l’intensità climatologica del jet polare, la struttura verticale della QBO, le condizioni di propagazione delle onde e la storia precedente della circolazione. Un SSW iniziato a fine gennaio può inoltre mantenere il vortice in uno stato anomalo nel mese seguente, introducendo una memoria dinamica che rende problematica una separazione troppo rigida tra risposta di gennaio e risposta di febbraio.
Anche Butler e Polvani avevano individuato differenze nella stagionalità degli SSW associati all’ENSO, osservando una tendenza degli eventi El Niño a comparire leggermente prima rispetto a quelli La Niña, pur sottolineando la limitatezza del campione. La Tabella 2 di Ermakova et al. introduce un livello ulteriore, suggerendo che non soltanto ENSO ma anche la fase QBO possa contribuire a spostare temporalmente la finestra nella quale il vortice risulta maggiormente suscettibile.
Questa dipendenza stagionale possiede importanti implicazioni per la prevedibilità. QBO ed ENSO sono due delle componenti atmosferico-oceaniche relativamente più prevedibili su scala stagionale: ENSO grazie alla memoria termica dell’oceano tropicale e la QBO grazie alla lenta propagazione discendente dei regimi di vento stratosferici. In linea teorica, conoscere entrambe le fasi prima dell’inverno può quindi fornire informazioni sulla probabilità di fondo che la stratosfera evolva verso uno stato più o meno vulnerabile. Tuttavia, la Tabella 2 mostra anche perché questo tipo di informazione non possa essere utilizzato deterministicamente. Perfino nella configurazione più favorevole, El Niño–eQBO, metà dei membri dell’ensemble non presenta alcuna inversione del vento. Ciò significa che una parte sostanziale della variabilità dipende da processi interni, soprattutto dagli impulsi delle onde planetarie provenienti dalla troposfera.
La distinzione è essenziale anche quando si considera la possibile risposta meteorologica in superficie. Gli SSW possono aumentare la prevedibilità sub-stagionale perché alcuni eventi sono seguiti da anomalie persistenti del Northern Annular Mode, da modificazioni della corrente a getto e delle storm track e da una maggiore probabilità di specifici regimi meteorologici alle medie latitudini. Tuttavia, non tutti gli SSW producono la stessa propagazione verso il basso e la presenza di El Niño o di una determinata fase della QBO non consente di dedurre direttamente l’insorgenza di un’ondata di freddo. La relazione resta probabilistica e dipende anche dalla struttura del singolo SSW e dallo stato contemporaneo della troposfera.
Il valore maggiore della Tabella 2 consiste pertanto nel mostrare in modo estremamente diretto la sensibilità dello stato stratosferico alla combinazione delle forzanti tropicali. Non è sufficiente affermare che eQBO favorisca gli SSW o che El Niño indebolisca il vortice: il risultato dipende dalla fase simultanea dell’altra oscillazione e dal momento dell’inverno. El Niño–eQBO produce nel MUAM il maggior numero di eventi maggiori e una forte attività già nella prima parte della stagione; El Niño–wQBO mantiene numerosi warming ma concentra le inversioni in febbraio; La Niña–eQBO produce diverse perturbazioni termiche ma quasi nessun collasso del vento; La Niña–wQBO rappresenta infine la configurazione più stabile dell’esperimento.
Allo stesso tempo, il confronto con Butler e Polvani, Kumar et al., Domeisen et al. e i più recenti esperimenti QBOi mostra che la climatologia reale è più complessa della gerarchia prodotta da un singolo modello. Le osservazioni confermano l’importanza congiunta di QBO ed ENSO, ma indicano anche che La Niña può essere associata a numerosi SSW e che la modulazione esercitata dalla QBO può essere particolarmente forte proprio durante La Niña. Questa apparente discrepanza non riduce il valore dell’esperimento MUAM; al contrario, mette in evidenza la distinzione tra un esperimento meccanicistico, progettato per isolare determinate forzanti, e l’atmosfera reale, nella quale numerosi processi agiscono simultaneamente.
In conclusione, la Tabella 2 fornisce una rappresentazione particolarmente efficace della natura probabilistica e dipendente dallo stato degli SSW. Le sue informazioni mostrano che la stessa fase QBO può produrre comportamenti radicalmente differenti sotto El Niño e La Niña, e che la stessa configurazione ENSO può modificare la propria risposta passando da gennaio a febbraio. Il vortice polare emerge quindi non come un sistema passivamente controllato da singoli indici climatici, ma come una struttura dinamica la cui stabilità dipende dall’interazione fra stato di fondo, propagazione ondulatoria, circolazione residua e memoria degli eventi precedenti. La maggiore frequenza dei major SSW durante El Niño–eQBO, il loro spostamento verso febbraio durante El Niño–wQBO, la forte riduzione sotto La Niña–eQBO e la loro completa assenza nei dieci membri La Niña–wQBO costituiscono, all’interno del MUAM, una dimostrazione particolarmente chiara di quanto profondamente le teleconnessioni tropicali possano modulare la capacità del vortice di resistere oppure cedere al forcing delle onde planetarie. Allo stesso tempo, il confronto con la letteratura osservativa ricorda che questi risultati devono essere interpretati come segnali fisici e probabilistici da verificare attraverso ensemble più ampi e confronti multi-modello, non come regole deterministiche applicabili a ogni singolo inverno.
3.1. Cambiamenti del vento zonale
L’analisi delle variazioni del vento zonale nella stratosfera extratropicale costituisce uno degli strumenti più efficaci per comprendere in quale modo la Quasi-Biennial Oscillation (QBO) e l’El Niño–Southern Oscillation (ENSO), pur originandosi nelle regioni tropicali, possano modulare la struttura e la stabilità del vortice polare stratosferico boreale. I risultati ottenuti mediante il Middle and Upper Atmosphere Model (MUAM) mostrano infatti che la risposta della circolazione stratosferica non può essere ricondotta semplicemente all’azione indipendente della QBO o dell’ENSO, ma emerge dall’interazione fra la configurazione del flusso zonale tropicale, la propagazione delle onde planetarie dalla troposfera, la loro dissipazione nella stratosfera e lo stato dinamico preesistente del vortice polare. In questo senso, le anomalie del vento zonale illustrate nelle Figure 2 e 3 rappresentano molto più di una semplice variazione della velocità dei venti occidentali: esse costituiscono l’espressione integrata dell’accoppiamento dinamico tra tropici, medie latitudini e regione polare.
La QBO è una delle principali sorgenti di variabilità della stratosfera tropicale e consiste nell’alternanza di regimi di venti orientali e occidentali che discendono progressivamente attraverso la stratosfera equatoriale con una periodicità media di circa 28 mesi. Nonostante il suo massimo segnale sia confinato alle basse latitudini, la QBO modifica la circolazione meridionale residua, la distribuzione della temperatura e la struttura dei venti zonali fino alle medie e alte latitudini. Questa influenza extratropicale è alla base del cosiddetto effetto Holton–Tan, secondo il quale la fase orientale della QBO nella bassa stratosfera tropicale tende statisticamente ad associarsi a un vortice polare boreale più caldo e debole, mentre la fase occidentale favorisce generalmente una circolazione polare più fredda e intensa. La letteratura moderna ha tuttavia mostrato che questo collegamento non rappresenta una relazione deterministica: la sua ampiezza varia considerevolmente da un inverno all’altro ed è modulata dallo stato dell’ENSO, dall’attività delle onde planetarie, dalla stagione e dalla configurazione della circolazione troposferica.
Il meccanismo fisico tradizionalmente associato all’effetto Holton–Tan riguarda la capacità della QBO di modificare le condizioni di propagazione delle onde di Rossby nella stratosfera. La distribuzione del vento zonale determina infatti dove le onde planetarie provenienti dalla troposfera possono propagarsi verticalmente, dove vengono rifratte e dove tendono a dissiparsi o a rompersi. Durante la eQBO, la configurazione dei venti tropicali e subtropicali può favorire una maggiore penetrazione dell’attività ondulatoria verso le alte latitudini. La deposizione di momento associata alla dissipazione delle onde esercita allora una forza frenante sui venti occidentali del vortice polare, favorendone la decelerazione e, attraverso la circolazione meridionale indotta, la subsidenza e il riscaldamento della calotta polare. Durante la wQBO, al contrario, le condizioni medie possono risultare maggiormente favorevoli al mantenimento di un vortice più intenso e dinamicamente isolato. Esperimenti modellistici hanno inoltre suggerito che la sola posizione della linea di vento nullo non è sufficiente a spiegare l’intera teleconnessione e che un ruolo fondamentale è svolto dalla circolazione meridionale media associata alla QBO.
L’analisi attraverso il flusso di Eliassen–Palm permette di interpretare direttamente questo scambio di quantità di moto tra le onde e la circolazione media. Il flusso EP rappresenta infatti uno degli indicatori fondamentali della propagazione dell’attività ondulatoria nella stratosfera e della sua interazione con il vento zonale medio. Regioni caratterizzate da una forte convergenza del flusso EP sono generalmente associate a una deposizione di momento che tende a decelerare i venti occidentali stratosferici, mentre condizioni di divergenza possono favorire un’accelerazione relativa della corrente zonale. Di conseguenza, la stretta corrispondenza fra le anomalie del vento zonale e quelle della divergenza del flusso EP nelle simulazioni MUAM indica che le differenze fra le quattro combinazioni ENSO–QBO non derivano esclusivamente da un aggiustamento termodinamico della stratosfera, ma riflettono differenti regimi di interazione onda–flusso medio.
Questo aspetto appare particolarmente evidente nel mese di gennaio. La combinazione La Niña–wQBO produce la maggiore anomalia positiva del vento zonale, pari a circa +21 m/s rispetto alla media dell’ensemble, configurando quindi un vortice polare eccezionalmente intenso rispetto alle altre combinazioni simulate. Contemporaneamente, una pronunciata divergenza del flusso EP interessa la regione del massimo del getto della notte polare. Tale risultato è coerente con quanto emerso dalle analisi di Kumar, Yoden e Hitchman, secondo cui il segnale della QBO sul vortice polare risulta particolarmente evidente durante gli episodi di La Niña: nelle loro analisi basate sulla rianalisi ERA-Interim, la wQBO è associata a un rafforzamento del vortice, mentre la separazione fra le risposte della fase occidentale e orientale della QBO aumenta durante La Niña. Gli stessi autori hanno proposto l’esistenza di due vie complementari attraverso cui la QBO può interessare le alte latitudini: una via propriamente stratosferica, riconducibile all’effetto Holton–Tan, e una via troposferica-subtropicale attraverso la quale le anomalie della QBO alterano la struttura dei jet subtropicali e, indirettamente, la generazione e propagazione delle onde planetarie.
Durante La Niña, inoltre, la distribuzione della convezione tropicale differisce sostanzialmente da quella osservata durante El Niño. Le anomalie convettive del Pacifico tropicale possono modificare la sorgente delle onde di Rossby e la configurazione della circolazione del Pacifico settentrionale, alterando così il flusso di attività ondulatoria diretto verso la stratosfera. Kumar et al. hanno evidenziato che proprio durante La Niña il segnale della QBO sul vortice può risultare amplificato, mentre durante El Niño tende in molti casi a ridursi. Ciò fornisce un importante contesto dinamico per interpretare il forte vortice simulato dal MUAM nella configurazione La Niña–wQBO: le due forzanti non agiscono necessariamente come componenti completamente indipendenti, ma possono creare una struttura atmosferica particolarmente favorevole al mantenimento di forti venti occidentali polari.
La situazione diametralmente opposta emerge nella combinazione El Niño–eQBO, per la quale in gennaio viene simulata un’anomalia del vento zonale prossima a −18 m/s. Il vortice polare risulta quindi fortemente indebolito e il campo del flusso EP evidenzia una pronunciata convergenza alle medie latitudini nella stratosfera. Tale configurazione possiede una chiara coerenza fisica con la sovrapposizione di due meccanismi potenzialmente favorevoli alla perturbazione del vortice. Da un lato, la eQBO tende a modificare la propagazione delle onde planetarie secondo il paradigma Holton–Tan; dall’altro, El Niño altera la circolazione troposferica del Pacifico settentrionale, spesso rafforzando la depressione aleutinica e modificando la struttura del pattern Pacific–North American. Questa configurazione può interferire costruttivamente con la climatologia delle onde planetarie stazionarie e aumentare il trasporto verticale di attività ondulatoria verso la stratosfera, favorendo il riscaldamento e l’indebolimento del vortice. Numerosi studi osservativi e modellistici hanno documentato, mediamente, un vortice artico più caldo e debole durante gli episodi di El Niño, sebbene l’intensità di questa relazione possa cambiare considerevolmente tra differenti periodi climatologici.
La sensibilità del vortice polare all’ENSO non deve quindi essere interpretata come una semplice risposta termica alla temperatura superficiale del Pacifico. Il collegamento è mediato principalmente dalla dinamica delle onde planetarie. Le anomalie tropicali associate a El Niño modificano la divergenza del flusso in alta troposfera e la sorgente delle onde di Rossby, producendo teleconnessioni che si estendono attraverso il Pacifico settentrionale. La conseguente modifica della depressione aleutinica e dei treni d’onda planetari può cambiare l’ampiezza delle onde zonali 1 e 2 che raggiungono la stratosfera. Quando queste onde penetrano efficacemente nel vortice e si dissipano, trasferiscono momento alla circolazione media, rallentando i venti occidentali e inducendo una circolazione meridionale con moto discendente sopra l’Artico. La compressione adiabatica associata alla subsidenza riscalda quindi la stratosfera polare, realizzando il legame dinamico fra maggiore attività ondulatoria, indebolimento dei venti zonali e aumento della temperatura polare.
Anche la eQBO è associata a una modulazione dell’attività delle onde di Rossby. Lu e collaboratori hanno mostrato che durante la fase orientale della QBO l’attività ondulatoria planetaria ascendente può aumentare durante la prima parte dell’inverno e che il Rossby wave breaking nella bassa stratosfera può essere significativamente modificato. Nel loro studio, la propagazione ascendente delle onde planetarie di numero d’onda zonale 1 risultava aumentata di circa il 25% durante specifiche condizioni eQBO, contribuendo a spiegare perché il vortice sia statisticamente più disturbato durante questa fase. Gli stessi risultati mostrano tuttavia una forte dipendenza stagionale, evidenziando come l’effetto Holton–Tan possa evolvere durante l’inverno e perfino modificare alcune caratteristiche nella parte finale della stagione.
Questa dipendenza temporale è particolarmente importante per interpretare le differenze tra gennaio e febbraio nelle simulazioni MUAM. Il vortice stratosferico possiede infatti una vera e propria “memoria dinamica”: un forte evento di riscaldamento stratosferico improvviso verificatosi in gennaio può continuare a influenzare il campo del vento e della temperatura molte settimane dopo l’evento. Dopo un major SSW, durante il quale i venti occidentali a 10 hPa e 60°N possono invertirsi e diventare orientali, la ricostituzione del vortice richiede tempo. Di conseguenza, un’anomalia negativa osservata in febbraio non deve necessariamente essere attribuita esclusivamente alla forzante ENSO o QBO presente in quel mese, ma può rappresentare in parte l’eredità dinamica di una perturbazione avvenuta diverse settimane prima.
Questo problema emerge chiaramente dal confronto tra MUAM e MERRA-2. Le simulazioni numeriche impongono combinazioni definite di ENSO e QBO e consentono quindi di isolare più facilmente la risposta atmosferica alle quattro configurazioni considerate. Le rianalisi, al contrario, rappresentano l’evoluzione reale dell’atmosfera, nella quale intervengono contemporaneamente numerose sorgenti di variabilità: ENSO, QBO, oscillazioni intrastagionali, variabilità delle onde planetarie, condizioni della neve e del ghiaccio marino, stato del vortice precedente e casualità interna della circolazione. Inoltre, il numero relativamente ridotto di inverni disponibili per specifiche combinazioni ENSO–QBO limita la significatività statistica dei compositi osservativi. È quindi del tutto plausibile che le anomalie delle rianalisi non coincidano perfettamente con quelle ottenute nelle simulazioni.
Questa cautela è pienamente coerente con la letteratura scientifica. Garfinkel e Hartmann mostrarono già che ENSO e QBO possono produrre effetti sulla temperatura e sulla circolazione della stratosfera polare di ampiezza comparabile, rendendo difficile distinguere statisticamente i contributi quando il campione osservativo è limitato. Studi successivi hanno inoltre evidenziato che la teleconnessione fra ENSO e vortice artico non presenta necessariamente un’intensità costante nel tempo. Per esempio, analisi più recenti hanno riscontrato un indebolimento della relazione ENSO–stratosfera artica durante alcuni decenni rispetto ai periodi precedenti, sottolineando il ruolo della variabilità interna e della limitata numerosità del record osservativo.
La stessa complessità riguarda l’interazione tra ENSO e QBO. Storicamente è stato osservato che la relazione Holton–Tan tende a essere più chiaramente riconoscibile durante La Niña e meno evidente durante El Niño. Kumar et al., analizzando quarant’anni di ERA-Interim, hanno confermato che durante la wQBO il vortice polare tende a essere più forte e che questo segnale viene amplificato durante La Niña, mentre El Niño attenua l’ampiezza delle anomalie QBO nella stratosfera tropicale e riduce l’estensione verso il polo della circolazione meridionale associata alla QBO. Ciò significa che l’ENSO non modifica soltanto il vortice direttamente attraverso le teleconnessioni troposferiche, ma può modificare anche il modo in cui la stessa QBO comunica con le alte latitudini.
In gennaio, le simulazioni MUAM confermano in modo particolarmente netto questa struttura. La combinazione La Niña–wQBO identifica il regime caratterizzato dal vortice più intenso, mentre El Niño–eQBO produce il vortice più debole. Le due combinazioni intermedie, El Niño–wQBO e La Niña–eQBO, rappresentano invece situazioni nelle quali le influenze delle due forzanti tendono almeno parzialmente a contrastarsi. Questo comportamento rende evidente perché non sia corretto attribuire automaticamente un inverno con vortice debole alla sola eQBO o al solo El Niño. L’atmosfera risponde all’intera configurazione dinamica, e gli effetti possono essere differenti a seconda del mese, della quota, dell’intensità dell’ENSO e della struttura verticale della QBO.
Il caso El Niño–wQBO è particolarmente istruttivo. In gennaio il modello mostra soltanto una debole anomalia negativa del vento, mentre la frequenza degli SSW rimane relativamente elevata, sebbene molti eventi non raggiungano i criteri di un major warming con completa inversione dei venti zonali. La wQBO esercita quindi una tendenza stabilizzante sul vortice, mentre El Niño tende contemporaneamente a favorire una maggiore perturbazione ondulatoria. Il risultato finale costituisce un compromesso fra questi due contributi. In febbraio, tuttavia, il comportamento evolve e la combinazione El Niño–wQBO presenta l’anomalia negativa più intensa, circa −12 m/s. Questo spostamento temporale è estremamente significativo perché mostra che l’impatto delle forzanti tropicali non è istantaneo: le anomalie troposferiche generate dall’ENSO, la propagazione delle onde planetarie e la risposta stratosferica possiedono scale temporali differenti e possono raggiungere il loro massimo effetto in momenti diversi dell’inverno.
Al contrario, la configurazione La Niña–wQBO mantiene un segnale di vortice forte anche nel mese di febbraio, quando l’anomalia positiva raggiunge circa +18 m/s. La persistenza del segnale da gennaio a febbraio suggerisce che questa combinazione favorisca non soltanto lo sviluppo di un vortice intenso, ma anche la sua stabilità stagionale. L’assenza o la rarità di importanti SSW nelle simulazioni permette infatti al getto della notte polare di mantenere elevate velocità occidentali. Dal punto di vista dinamico, un vortice forte tende inoltre a costituire una struttura più resistente alle perturbazioni ondulatorie, anche se non completamente immune da esse.
Il ruolo degli SSW diviene pertanto centrale nell’interpretazione delle anomalie. Un riscaldamento stratosferico improvviso rappresenta infatti una manifestazione estrema dell’interazione onda–flusso medio: un intenso impulso di onde planetarie verso la stratosfera può rallentare rapidamente il vortice, determinare una forte discesa dinamica sopra la calotta polare e produrre un rapido aumento della temperatura. Se il forcing è sufficientemente forte, il vento zonale medio può invertirsi. La frequenza degli SSW nelle differenti combinazioni ENSO–QBO contribuisce quindi direttamente alle differenze delle velocità medie mostrate nelle Figure 2 e 3. Tuttavia, non bisogna confondere una maggiore probabilità statistica con una relazione deterministica: né El Niño né eQBO implicano necessariamente il verificarsi di un SSW, così come La Niña o wQBO non impediscono che un evento abbia luogo.
Le simulazioni climatiche confermano proprio questa natura probabilistica dell’effetto Holton–Tan. Le analisi dei modelli CMIP5 e CMIP6 mostrano generalmente una decelerazione dei venti circumpolari e un riscaldamento della stratosfera polare durante la eQBO rispetto alla wQBO. Tuttavia, diversi modelli sottostimano l’ampiezza della teleconnessione osservata. Elsbury e collaboratori hanno mostrato che i modelli CMIP6 tendono sistematicamente a rappresentare un effetto Holton–Tan più debole rispetto alle rianalisi e che una migliore rappresentazione della risposta delle onde planetarie, in particolare nella regione asiatica, è associata a una simulazione più realistica della teleconnessione fra QBO e vortice.
Questa difficoltà modellistica sottolinea l’importanza dei processi ondulatori osservati nelle simulazioni MUAM. La QBO non agisce sulle alte latitudini semplicemente trasmettendo verso nord una variazione del vento equatoriale. Essa modifica la struttura del mezzo attraverso il quale le onde di Rossby si propagano. Piccole variazioni del vento zonale nella regione subtropicale possono cambiare la rifrazione delle onde, la loro capacità di raggiungere il vortice e la posizione nella quale esse depositano momento. È quindi possibile che modificazioni apparentemente modeste della circolazione tropicale generino conseguenze relativamente grandi nella stratosfera polare, soprattutto quando il vortice si trova vicino a una soglia dinamica favorevole a una forte perturbazione.
Particolarmente interessante è anche il fatto che studi recenti non concordino completamente sul grado di linearità dell’interazione ENSO–QBO. Diverse analisi hanno documentato comportamenti non lineari, soprattutto quando si considera la risposta regionale della circolazione nord-atlantica. Per esempio, Ma et al. hanno evidenziato che durante El Niño la teleconnessione della QBO verso il Nord Atlantico tende a svilupparsi maggiormente attraverso una via subtropicale, mentre durante La Niña acquista maggiore importanza la via polare mediata dal vortice stratosferico. Altre analisi più recenti indicano invece che, per alcune componenti della risposta stratosferica media, una larga parte del segnale congiunto ENSO–QBO può essere descritta attraverso una sovrapposizione quasi lineare dei due contributi. Le due prospettive non sono necessariamente contraddittorie: il grado di linearità dipende dalla variabile considerata, dalla regione atmosferica, dall’altezza e dalla fase stagionale.
Questi risultati aiutano anche a interpretare l’apparente discrepanza della combinazione El Niño–eQBO nel mese di febbraio. Le rianalisi suggeriscono per queste condizioni un vortice fortemente indebolito, mentre MUAM mostra velocità più vicine alla media e anomalie negative relativamente modeste. Una parte della differenza può derivare dalla ridotta numerosità dei compositi osservativi, ma un’altra componente può essere legata alla storia precedente del vortice. Un major SSW verificatosi in gennaio può lasciare in febbraio un vortice ancora in fase di recupero, producendo anomalie negative molto forti nelle rianalisi. Una simulazione nella quale la tempistica degli eventi ondulatori differisca anche soltanto di alcune settimane può quindi mostrare un valore medio di febbraio sensibilmente diverso, pur riproducendo correttamente il meccanismo dinamico complessivo.
Ne deriva che le Figure 2 e 3 non dovrebbero essere interpretate esclusivamente come una classificazione delle combinazioni capaci di produrre vortici più forti o più deboli. Il risultato fisicamente più importante è la dimostrazione che la risposta stratosferica dipende dall’interazione fra stato tropicale, propagazione ondulatoria e storia dinamica del vortice. La configurazione La Niña–wQBO emerge come quella maggiormente associata a un vortice forte e persistente, mentre El Niño ed eQBO tendono nel complesso a creare condizioni più favorevoli all’indebolimento della circolazione polare. Le configurazioni miste producono risposte più complesse e fortemente dipendenti dal momento della stagione.
Questo quadro è coerente con la moderna interpretazione delle teleconnessioni stratosferiche, nella quale la QBO non viene più considerata semplicemente come una forzante tropicale isolata. Anstey e Shepherd hanno sottolineato come il segnale della QBO alle alte latitudini debba essere considerato all’interno di un sistema nel quale interagiscono numerose sorgenti di variabilità, tra cui ENSO, ciclo solare, struttura delle onde planetarie e variabilità interna dell’atmosfera. Inoltre, la capacità della QBO di modulare il vortice presenta variazioni decadali significative, un ulteriore elemento che limita l’interpretazione di compositi relativamente brevi.
Dal punto di vista della prevedibilità stagionale, queste relazioni sono di particolare interesse. La QBO possiede infatti una prevedibilità molto superiore a quella della maggior parte dei fenomeni atmosferici extratropicali, mentre l’ENSO può generalmente essere previsto con diversi mesi di anticipo. La conoscenza simultanea delle due oscillazioni fornisce pertanto informazioni sullo stato di fondo entro il quale si svilupperà il vortice polare. Studi condotti con modelli previsionali subseasonal hanno mostrato che una corretta rappresentazione della QBO può migliorare la previsione probabilistica della forza del vortice invernale, soprattutto nei modelli che possiedono una rappresentazione sufficientemente dettagliata della stratosfera. Ciò non consente di prevedere deterministicamente un singolo SSW con mesi di anticipo, ma permette di modificare la probabilità attribuita ai differenti regimi dinamici della stratosfera.
Nel complesso, l’analisi delle anomalie del vento zonale di gennaio e febbraio rafforza quindi l’idea di un’atmosfera invernale boreale fortemente accoppiata, nella quale fenomeni tropicali apparentemente lontani dall’Artico possono contribuire a modulare l’evoluzione del vortice polare attraverso una complessa catena di interazioni dinamiche. La QBO modifica il vento tropicale e subtropicale, la circolazione meridionale e le condizioni di propagazione delle onde; l’ENSO altera la convezione tropicale e la struttura dei treni d’onda troposferici; le onde planetarie trasportano poi questa informazione verso la stratosfera, dove la loro interazione con il flusso medio può accelerare o decelerare il vortice. Infine, gli SSW introducono una componente fortemente non lineare e una memoria atmosferica capace di influenzare la circolazione per diverse settimane.
Le Figure 2 e 3 devono pertanto essere considerate come una rappresentazione della natura condizionata e dipendente dallo stato delle teleconnessioni tropicali–polari. L’aspetto centrale non è soltanto che La Niña–wQBO produca, nelle simulazioni considerate, le anomalie positive più intense del vento zonale, o che El Niño associato a determinate fasi della QBO favorisca anomalie negative, ma che la QBO e l’ENSO modifichino l’ambiente dinamico all’interno del quale le onde planetarie interagiscono con il vortice. È proprio questa modulazione dell’interazione onda–flusso medio a costituire il collegamento fisico tra la variabilità tropicale e la stabilità della stratosfera polare. Di conseguenza, una corretta interpretazione del vortice polare invernale richiede di abbandonare una visione basata su singoli indici isolati e di considerare simultaneamente QBO, ENSO, attività ondulatoria, stato precedente del vortice e fase stagionale. Il risultato dello studio MUAM si inserisce quindi in un quadro scientifico sempre più consolidato: la stratosfera polare non rappresenta un sistema dinamicamente separato dai tropici, ma uno dei terminali di una rete di teleconnessioni attraverso la quale variazioni della circolazione equatoriale possono propagarsi fino all’Artico e contribuire, insieme alla variabilità interna dell’atmosfera, a determinare l’intensità, la persistenza e la vulnerabilità del vortice polare durante l’inverno boreale.
Figura 2 – Modulazione congiunta di ENSO e QBO del vento zonale e della dinamica del vortice polare stratosferico nel mese di gennaio
La Figura 2 offre una rappresentazione particolarmente efficace della complessa interazione tra El Niño–Southern Oscillation (ENSO), Quasi-Biennial Oscillation (QBO), propagazione delle onde planetarie e intensità del vortice polare stratosferico durante il mese di gennaio. Il suo interesse scientifico risiede soprattutto nel confronto diretto tra le simulazioni realizzate mediante il Middle and Upper Atmosphere Model (MUAM), mostrate nei pannelli a–d, e le anomalie del vento zonale ricostruite attraverso la rianalisi MERRA-2, presentate nei pannelli e–h. Le simulazioni MUAM consentono di considerare simultaneamente quattro differenti configurazioni del sistema tropicale-stratosferico — El Niño associato alla fase orientale della QBO, El Niño associato alla fase occidentale, La Niña associata alla fase orientale e La Niña associata alla fase occidentale — mentre i compositi MERRA-2 rappresentano separatamente le anomalie associate alle due fasi dell’ENSO e della QBO. Questa differenza metodologica è essenziale per interpretare correttamente la figura, poiché il confronto tra modello e rianalisi non costituisce una verifica quantitativa uno a uno, ma serve piuttosto a stabilire se le strutture dinamiche simulate siano compatibili con i segnali osservati nella reale atmosfera.
Le isolinee presenti nei pannelli rappresentano le anomalie del vento zonale medio rispetto alla climatologia di riferimento. Alle alte latitudini dell’emisfero boreale, anomalie positive indicano generalmente un rafforzamento dei venti occidentali che costituiscono il getto della notte polare e quindi un vortice stratosferico più intenso, mentre anomalie negative indicano una riduzione della velocità occidentale e, conseguentemente, un vortice più debole e maggiormente suscettibile alle perturbazioni dinamiche. Nei pannelli MUAM la campitura colorata rappresenta inoltre le anomalie della divergenza del flusso di Eliassen–Palm, fornendo quindi un’indicazione diretta dell’interazione tra attività ondulatoria e circolazione zonale media. Questo accoppiamento tra vento zonale e flusso EP è fondamentale perché la variabilità del vortice polare non deriva semplicemente da variazioni radiative o termiche, ma è fortemente controllata dal trasferimento di quantità di moto operato dalle onde planetarie provenienti dalla troposfera.
Il flusso di Eliassen–Palm costituisce infatti uno degli strumenti diagnostici più importanti della dinamica stratosferica. Le onde di Rossby generate principalmente dalla distribuzione longitudinale dell’orografia, dai contrasti terra-oceano e dalle anomalie della circolazione troposferica possono propagarsi verticalmente nella stratosfera quando la struttura del vento zonale permette tale propagazione. Quando queste onde vengono assorbite o dissipate, esercitano una forza sul flusso medio, modificando la velocità del getto polare. Una maggiore convergenza del flusso EP è generalmente associata a una deposizione di momento che decelera i venti occidentali, mentre configurazioni opposte possono favorire il mantenimento o il rafforzamento del vortice. La letteratura moderna considera pertanto la propagazione e la rifrazione delle onde planetarie uno dei meccanismi centrali attraverso i quali la QBO tropicale riesce a influenzare la stratosfera delle alte latitudini. Le revisioni di Anstey e Shepherd hanno sottolineato proprio come la teleconnessione QBO–vortice, tradizionalmente definita effetto Holton–Tan, derivi dall’interazione tra anomalie del vento tropicale, circolazione meridionale secondaria della QBO e condizioni di propagazione delle onde planetarie extratropicali.
Il contrasto più spettacolare della Figura 2 emerge confrontando i pannelli 2a e 2d. Nella configurazione El Niño associato alla eQBO, il modello simula una marcata anomalia negativa del vento zonale nella stratosfera delle alte latitudini, con valori che raggiungono circa −18 m/s intorno ai 50–60°N e a circa 50 km di quota. Il vortice polare risulta quindi considerevolmente più debole rispetto alla media delle quaranta simulazioni. Nella configurazione opposta, La Niña associata alla wQBO, l’anomalia raggiunge invece circa +21 m/s nella stessa regione generale della stratosfera, indicando un vortice molto più intenso. Tra le due configurazioni estreme esiste pertanto una differenza vicina a 40 m/s nella risposta del vento zonale, un valore che evidenzia immediatamente come lo stato congiunto di ENSO e QBO possa modificare profondamente il regime dinamico dell’atmosfera polare.
La forte risposta negativa osservata nel caso El Niño–eQBO possiede una solida interpretazione fisica. La fase orientale della QBO è statisticamente associata a un vortice boreale più debole e caldo, mentre la fase occidentale tende a essere collegata a un vortice più forte e freddo. Questa relazione costituisce il classico effetto Holton–Tan, individuato originariamente all’inizio degli anni Ottanta e successivamente analizzato attraverso osservazioni, rianalisi ed esperimenti modellistici. La spiegazione iniziale si basava sullo spostamento latitudinale della superficie di vento zonale nullo nella stratosfera subtropicale, capace di alterare la geometria del waveguide attraverso cui si propagano le onde planetarie. Le interpretazioni più recenti hanno ampliato questo quadro, mostrando che la circolazione meridionale secondaria associata alla QBO modifica l’indice di rifrazione delle onde di Rossby e può favorirne la propagazione verso il polo durante la fase orientale. Lu e collaboratori, ad esempio, hanno evidenziato come la eQBO nella bassa stratosfera possa creare una struttura del waveguide favorevole sia a una maggiore propagazione verticale dalla troposfera sia a una maggiore rifrazione delle onde verso le alte latitudini, determinando un vortice più disturbato.
La configurazione El Niño–eQBO rappresentata nel pannello 2a può dunque essere interpretata come una situazione nella quale due differenti sorgenti di modulazione tendono a favorire l’indebolimento del vortice. La eQBO modifica direttamente la struttura dinamica della stratosfera subtropicale e le condizioni di propagazione delle onde planetarie, mentre El Niño altera profondamente la circolazione troposferica del Pacifico tropicale e settentrionale. Le anomalie convettive associate a El Niño modificano infatti la sorgente delle onde di Rossby tropicali e la struttura della depressione aleutinica, influenzando a loro volta l’ampiezza e la propagazione verticale delle onde planetarie verso la stratosfera. Garfinkel e Hartmann hanno mostrato che ENSO e QBO possono entrambi produrre anomalie significative delle temperature polari stratosferiche e che i loro effetti possiedono ampiezze comparabili, rendendo particolarmente importante considerare simultaneamente entrambi i fenomeni.
La relazione tra El Niño e un vortice polare mediamente più debole non deve tuttavia essere interpretata come un automatismo. L’ENSO modifica la probabilità che determinate configurazioni dinamiche si sviluppino, ma non determina in maniera univoca l’evoluzione della stratosfera. La propagazione delle onde planetarie dipende anche dallo stato della troposfera extratropicale, dalla configurazione del vortice all’inizio dell’inverno e dalla variabilità atmosferica interna. Di conseguenza, possono verificarsi inverni El Niño caratterizzati da un vortice forte così come inverni La Niña accompagnati da importanti disturbi stratosferici. La Figura 2 rappresenta una risposta media dell’ensemble e deve quindi essere letta in termini probabilistici e climatologici, non deterministici.
Il pannello 2b mostra chiaramente questa modulazione. Mantenendo El Niño ma passando dalla fase orientale alla fase occidentale della QBO, la grande anomalia negativa osservata nel pannello 2a viene notevolmente ridimensionata. La wQBO tende infatti a favorire una circolazione polare più intensa, contrastando almeno in parte la tendenza all’indebolimento associata all’ENSO positivo. Questa differenza tra i pannelli 2a e 2b costituisce un elemento estremamente importante della figura: non è sufficiente conoscere la fase ENSO per stabilire lo stato statisticamente favorito del vortice, poiché la fase della QBO può alterare in maniera significativa il risultato finale.
Il lavoro di Kumar, Yoden e Hitchman fornisce un quadro particolarmente utile per comprendere questa interazione. Analizzando quarant’anni di ERA-Interim, gli autori hanno identificato due vie principali attraverso le quali la QBO può influenzare la circolazione invernale dell’emisfero boreale. Una prima via è essenzialmente stratosferica e comprende la modulazione dell’assorbimento e della propagazione delle onde planetarie secondo il meccanismo Holton–Tan; una seconda via interessa invece la troposfera superiore e la bassa stratosfera tropicale e subtropicale, modificando anche la struttura dei jet subtropicali. Lo stesso studio mostra che durante la wQBO il vortice polare tende generalmente a essere più intenso e che questo segnale può essere amplificato durante La Niña. Tale risultato è particolarmente coerente con il pannello 2d della figura, nel quale la combinazione La Niña–wQBO produce la massima anomalia positiva del vento zonale.
Il pannello 2c, relativo alla combinazione La Niña–eQBO, rappresenta invece una configurazione intermedia. La fase orientale della QBO tende a favorire l’indebolimento del vortice attraverso una maggiore perturbazione ondulatoria, mentre La Niña produce nel modello una risposta generalmente più favorevole al mantenimento di forti venti zonali polari. Il risultato finale non è quindi semplicemente equivalente alla risposta associata alla sola La Niña o alla sola eQBO, ma nasce dall’interazione fra le due teleconnessioni. Proprio questo comportamento dimostra perché una rappresentazione puramente additiva di ENSO e QBO possa essere insufficiente in determinate circostanze. L’atmosfera costituisce un sistema non lineare nel quale una forzante modifica lo stato di fondo sul quale agisce l’altra.
Il pannello 2d mostra invece la configurazione più chiaramente favorevole a un vortice intenso. Durante La Niña e wQBO, il massimo positivo del vento zonale raggiunge circa +21 m/s alle alte latitudini e nella stratosfera superiore. In questo caso entrambe le condizioni sembrano concorrere al mantenimento di una forte circolazione occidentale. La wQBO è generalmente associata a una minore penetrazione verso il polo dell’attività ondulatoria rispetto alla eQBO e quindi a una minore decelerazione del getto della notte polare. La Niña può contemporaneamente modificare la struttura delle teleconnessioni troposferiche del Pacifico settentrionale in modo meno favorevole, rispetto a El Niño, al rafforzamento dell’attività ondulatoria stratosferica. Kumar et al. hanno effettivamente riscontrato che il segnale della QBO sul vortice polare è particolarmente marcato durante gli inverni La Niña e che la fase occidentale della QBO tende in queste condizioni a essere accompagnata da un vortice più intenso.
Gli esperimenti internazionali più recenti dedicati specificamente alla teleconnessione QBO–ENSO confermano inoltre che il quadro medio rimane coerente con questa interpretazione. Le analisi QBOi pubblicate nel 2025 ribadiscono che la fase occidentale della QBO nella bassa stratosfera tende a essere associata a un vortice polare più forte e freddo e a una minore probabilità di sudden stratospheric warmings, mentre la fase orientale favorisce mediamente un vortice più debole, caldo e disturbato. Gli stessi lavori sottolineano però che il meccanismo non può essere ricondotto esclusivamente alla posizione della superficie di vento nullo: la circolazione meridionale indotta dalla QBO e le conseguenti modifiche alla rifrazione delle onde planetarie rappresentano componenti altrettanto importanti della teleconnessione.
La distribuzione delle anomalie della divergenza del flusso EP nei pannelli a–d aggiunge quindi un elemento interpretativo cruciale. Le differenze tra le quattro configurazioni non riguardano solamente la forza del vento zonale ma l’intero regime di interazione onda–flusso medio. In presenza di El Niño ed eQBO, la pronunciata struttura associata al vortice debole suggerisce una maggiore efficacia dell’attività ondulatoria nel decelerare la circolazione polare. Nella configurazione La Niña–wQBO il regime è invece compatibile con un getto polare relativamente poco disturbato e capace di mantenere elevate velocità occidentali. Si instaura così una possibile retroazione dinamica: un vortice forte modifica a sua volta le condizioni di propagazione delle onde, mentre un vortice già indebolito può diventare maggiormente vulnerabile a successivi impulsi ondulatori.
Questo processo è strettamente legato anche alla formazione dei riscaldamenti stratosferici improvvisi. Gli SSW maggiori rappresentano infatti la manifestazione più estrema dell’interazione fra onde planetarie e circolazione media: un forte incremento del flusso ondulatorio verso la stratosfera può decelerare rapidamente il vortice, produrre una intensa subsidenza dinamica sopra la regione polare, riscaldare la stratosfera artica e, negli eventi maggiori, determinare persino l’inversione dei venti occidentali climatologici. Poiché la eQBO tende statisticamente a essere associata a un vortice più vulnerabile e la wQBO a un vortice più stabile, anche la frequenza degli SSW presenta una modulazione QBO, sebbene con una forte variabilità interannuale. Le analisi recenti sottolineano proprio la riduzione della probabilità media degli SSW durante QBO occidentale e il suo aumento durante QBO orientale.
La parte destra della Figura 2 costituisce una verifica osservativa molto interessante di queste relazioni. Nel pannello 2e, relativo agli inverni El Niño della rianalisi MERRA-2, le anomalie negative del vento zonale dominano un’ampia parte della stratosfera delle alte latitudini, indicando un vortice mediamente più debole. Il pannello 2f, relativo a La Niña, mostra invece un contributo maggiormente positivo alle alte latitudini. Sebbene i campioni non rappresentino direttamente le combinazioni utilizzate nelle simulazioni MUAM, il contrasto generale risulta coerente con quello prodotto dal modello.
Ancora più evidente è il confronto fra i pannelli 2g e 2h. Nel composito eQBO compare innanzitutto il forte segnale negativo del vento zonale nella stratosfera equatoriale, espressione diretta dei venti orientali della QBO. Contemporaneamente, alle alte latitudini settentrionali si sviluppano anomalie negative significative, indicative di un indebolimento del vortice. Nel composito wQBO la situazione tropicale si inverte e compaiono intense anomalie occidentali, mentre nella regione polare prevalgono anomalie positive compatibili con un vortice più forte. Si tratta di una rappresentazione estremamente chiara della teleconnessione tropicale–polare alla base dell’effetto Holton–Tan.
È tuttavia importante osservare che la relazione Holton–Tan non possiede intensità costante nel tempo. Lu e collaboratori hanno mostrato che la correlazione fra QBO e vortice polare ha attraversato periodi di particolare robustezza e periodi nei quali è risultata molto più debole. Questa variabilità decadale sembra essere connessa alle modificazioni dello stato medio del vortice e della propagazione delle onde planetarie: un vortice particolarmente forte o una configurazione anomala dell’attività ondulatoria può interferire con il meccanismo attraverso il quale la QBO modula la stratosfera extratropicale. Ciò rappresenta un’ulteriore ragione per evitare interpretazioni deterministiche della Figura 2.
Anche le aree statisticamente non significative indicate nella figura devono essere considerate attentamente. Le zone grigie tratteggiate identificano, secondo gli autori, le regioni nelle quali le differenze non superano la soglia di significatività del 95% secondo il test t di Student appaiato. La presenza di strutture apparentemente coerenti ma statisticamente non robuste mostra quanto sia forte la variabilità atmosferica interna, soprattutto alle medie e alte latitudini. Il vortice polare presenta infatti una variabilità naturale molto elevata: singoli episodi di forte attività ondulatoria o un SSW possono cambiare radicalmente il valore medio di un inverno. Di conseguenza, soprattutto nei compositi costruiti con pochi eventi, una parte delle anomalie può riflettere la specifica successione degli inverni selezionati piuttosto che una risposta universale alla QBO o all’ENSO.
Questo problema è particolarmente importante nel confronto MUAM–MERRA-2. Nel modello è possibile mantenere controllate le condizioni associate alle quattro combinazioni ENSO–QBO e utilizzare più realizzazioni per valutare la risposta media. Nell’atmosfera reale, invece, non esistono due inverni identici: il segnale di ENSO e QBO si sovrappone alla variabilità delle onde planetarie, all’oscillazione intrastagionale tropicale, allo stato precedente della stratosfera e a numerosi altri fattori. Inoltre, la fase della QBO varia verticalmente e un’unica classificazione “orientale” o “occidentale” non descrive completamente la sua struttura. La revisione di Anstey e Shepherd sottolinea infatti che rimangono questioni aperte su quali livelli della QBO siano maggiormente responsabili dell’accoppiamento con il vortice e su come tale relazione venga modificata da altre sorgenti di variabilità, compreso l’ENSO.
La Figura 2 possiede pertanto un significato più ampio della semplice individuazione di quattro anomalie del vento. Essa mostra che la risposta del vortice polare emerge da una vera e propria interferenza dinamica fra differenti modalità climatiche tropicali. La QBO modifica la struttura verticale e meridionale del vento stratosferico, alterando il mezzo attraverso il quale le onde di Rossby possono propagarsi; ENSO modifica invece la sorgente e la configurazione delle onde attraverso i cambiamenti della convezione tropicale e della circolazione del Pacifico settentrionale. Quando le due influenze favoriscono lo stesso tipo di risposta, come nel caso El Niño–eQBO per l’indebolimento o La Niña–wQBO per il rafforzamento, il segnale del vortice può diventare molto pronunciato. Quando agiscono in direzioni opposte, come nelle combinazioni El Niño–wQBO e La Niña–eQBO, la risposta può risultare attenuata, differita nel tempo oppure maggiormente dipendente dalla variabilità atmosferica interna.
Dal punto di vista della prevedibilità stagionale, questo risultato riveste particolare importanza. ENSO e QBO sono infatti due delle componenti del sistema atmosferico che possono essere previste con un anticipo notevolmente superiore rispetto alla variabilità meteorologica extratropicale quotidiana. Conoscere contemporaneamente la fase ENSO e la struttura della QBO permette quindi di definire uno stato di fondo statisticamente più o meno favorevole a un vortice polare intenso, a un aumento dell’attività delle onde planetarie o a una maggiore probabilità di forte variabilità stratosferica. Non permette però di prevedere deterministicamente un SSW a distanza di mesi. Il valore previsivo risiede piuttosto nello spostamento delle probabilità verso determinati regimi atmosferici.
Nel complesso, la Figura 2 fornisce quindi una rappresentazione estremamente efficace dell’accoppiamento tra tropici e Artico stratosferico. La configurazione La Niña–wQBO produce nel MUAM il massimo rafforzamento del vortice, con anomalie del vento zonale che raggiungono circa +21 m/s, mentre la combinazione El Niño–eQBO determina il massimo indebolimento, con anomalie dell’ordine di −18 m/s. Le configurazioni intermedie evidenziano invece l’importanza della modulazione reciproca delle due oscillazioni. La corrispondenza qualitativa con MERRA-2 sostiene l’esistenza di queste teleconnessioni, ma le differenze fra modello e rianalisi ricordano che il comportamento reale della stratosfera dipende anche dalla storia dinamica del vortice, dalla tempistica degli impulsi ondulatori e dalla presenza di SSW. La conclusione fisica fondamentale è quindi che ENSO e QBO non controllano direttamente il vortice polare come semplici interruttori climatici: modificano piuttosto l’ambiente dinamico nel quale le onde planetarie si propagano e scambiano quantità di moto con la circolazione media. È attraverso questa catena di processi che anomalie originate nella fascia tropicale possono estendere la propria influenza fino alla stratosfera artica e contribuire alla grande variabilità del vortice polare durante l’inverno boreale.
Figura 3 – Evoluzione di febbraio della risposta del vortice polare alle combinazioni ENSO–QBO: anomalie del vento zonale, flusso di Eliassen–Palm e ruolo degli SSW
La Figura 3 permette di approfondire uno degli aspetti più complessi dell’accoppiamento tra atmosfera tropicale e stratosfera polare, mostrando come le anomalie del vento zonale e dell’interazione onda–flusso medio evolvano nel mese di febbraio in funzione delle differenti combinazioni tra El Niño–Southern Oscillation (ENSO) e Quasi-Biennial Oscillation (QBO). Rispetto alla Figura 2, riferita a gennaio, questa rappresentazione assume un significato dinamico ancora più interessante perché febbraio non riflette soltanto l’effetto contemporaneo delle forzanti tropicali, ma incorpora anche la storia precedente del vortice polare, compresi gli eventuali riscaldamenti stratosferici improvvisi verificatisi nelle settimane antecedenti e i tempi necessari alla ricostituzione della circolazione occidentale. I pannelli a–d riportano le anomalie simulate dal Middle and Upper Atmosphere Model (MUAM) per le quattro configurazioni El Niño–eQBO, El Niño–wQBO, La Niña–eQBO e La Niña–wQBO, mentre i pannelli e–h mostrano rispettivamente i compositi MERRA-2 di El Niño, La Niña, QBO orientale e QBO occidentale. Come nella figura precedente, le isolinee indicano le deviazioni del vento zonale medio rispetto alla climatologia, mentre nei pannelli MUAM la campitura cromatica rappresenta le anomalie della divergenza del flusso di Eliassen–Palm. Le aree grigie tratteggiate contrassegnano le regioni in cui le differenze non raggiungono la significatività statistica al 95% secondo il test t di Student appaiato. È inoltre importante ricordare che la rianalisi MERRA-2 viene utilizzata soltanto fino al livello di 0,1 hPa, mentre MUAM estende la propria rappresentazione fino a circa 120 km, cosicché il confronto fra i due gruppi di pannelli deve essere effettuato soprattutto nella regione atmosferica comune.
La struttura generale della figura evidenzia innanzitutto che la relazione fra ENSO, QBO e vortice polare non rimane costante nel corso dell’inverno. Questo risultato è perfettamente coerente con la moderna comprensione delle teleconnessioni stratosferiche. La QBO rappresenta la principale modalità di variabilità dinamica della stratosfera tropicale, ma la sua influenza alle alte latitudini dipende dallo stato stagionale del vortice e dalla propagazione delle onde planetarie. Le revisioni dedicate alla dinamica stratosferica sottolineano infatti che il cosiddetto effetto Holton–Tan presenta una pronunciata variabilità intrastagionale e tende a essere particolarmente robusto nella prima parte e nella parte centrale dell’inverno boreale, mentre l’evoluzione successiva può essere fortemente condizionata dai disturbi già subiti dal vortice. La relazione QBO–vortice, inoltre, interagisce con ENSO e con la variabilità interna dell’attività ondulatoria, rendendo la risposta osservata il risultato di un sistema dinamico fortemente dipendente dallo stato atmosferico.
Per interpretare correttamente la Figura 3 occorre partire dal significato fisico delle anomalie del vento zonale. Durante l’inverno boreale la stratosfera polare è dominata da forti venti occidentali che costituiscono il vortice polare e il getto della notte polare. Una deviazione positiva del vento zonale alle alte latitudini indica quindi un vortice più intenso rispetto allo stato climatologico di riferimento, mentre una deviazione negativa implica una decelerazione della circolazione occidentale e un vortice più debole. Gli eventi più estremi di questa seconda categoria sono i major sudden stratospheric warmings, durante i quali l’interazione con intense onde planetarie può portare all’inversione del vento zonale climatologico. Gli SSW costituiscono infatti una delle maggiori sorgenti di variabilità interannuale della stratosfera invernale boreale e possono lasciare anomalie persistenti della circolazione per diverse settimane dopo il loro onset.
Il pannello 3a, relativo alla configurazione El Niño associato alla eQBO, costituisce uno dei risultati più istruttivi proprio perché differisce sensibilmente dal corrispondente pannello di gennaio. Nella Figura 2, El Niño–eQBO produceva una forte anomalia negativa del vento zonale, prossima a −18 m/s nella stratosfera delle alte latitudini, configurandosi come il regime caratterizzato dal vortice più debole. Nel mese di febbraio, invece, il segnale simulato dal MUAM è notevolmente più attenuato e le velocità del vortice risultano molto più prossime alla media dell’ensemble. Tale comportamento non implica necessariamente che l’influenza combinata di El Niño ed eQBO sia scomparsa; mostra piuttosto che la risposta media mensile dipende profondamente dalla sequenza temporale degli eventi dinamici. Nelle dieci realizzazioni relative a questa configurazione il modello riproduce diversi SSW, compresi eventi intensi accompagnati da importanti inversioni del vento zonale. La media di febbraio può quindi risultare relativamente modesta se gli eventi e le successive fasi di recupero avvengono con tempistiche differenti fra i membri dell’ensemble.
Questo aspetto consente di introdurre il concetto di memoria stratosferica, essenziale per comprendere la Figura 3. Dopo un major SSW, il vortice non ritorna immediatamente allo stato climatologico. I venti occidentali possono rimanere molto deboli per settimane, mentre le anomalie dinamiche associate all’evento evolvono e possono propagarsi verso il basso. Di conseguenza, il valore medio del vento zonale osservato in febbraio può dipendere in maniera sostanziale da un SSW verificatosi in gennaio. È questo uno dei motivi per cui i compositi mensili delle rianalisi non devono essere interpretati come una risposta atmosferica istantanea all’ENSO o alla QBO. La letteratura sull’accoppiamento stratosfera–troposfera mostra chiaramente che gli SSW possono produrre anomalie persistenti e costituiscono una fonte importante di prevedibilità subseasonal proprio grazie alla relativa lentezza con cui la stratosfera ritorna verso lo stato indisturbato.
Particolarmente significativa è quindi la discrepanza fra il pannello 3a e i compositi MERRA-2 associati a El Niño e alla eQBO. Nei pannelli 3e e 3g, entrambe le condizioni prese separatamente sono caratterizzate da importanti anomalie negative del vento zonale alle alte latitudini, soprattutto nella stratosfera medio-superiore. Se questi segnali fossero sommati in modo puramente lineare, ci si potrebbe attendere una fortissima anomalia negativa nella combinazione El Niño–eQBO. MUAM, tuttavia, mostra un segnale molto più debole. L’apparente contraddizione evidenzia precisamente perché gli autori sottolineano che i compositi MERRA-2 e gli esperimenti modellistici non possono essere confrontati attraverso una semplice sovrapposizione aritmetica. I compositi osservativi contengono differenti stati ENSO o QBO, differenti sequenze di attività ondulatoria e, soprattutto, l’eredità degli SSW precedenti. Nel campione eQBO di febbraio, una parte della forte anomalia negativa di MERRA-2 deriva infatti dalle basse velocità del vortice successive a major SSW verificatisi nel mese di gennaio.
Il pannello 3b, relativo alla combinazione El Niño–wQBO, mostra invece una marcata anomalia negativa del vento zonale che raggiunge circa −12 m/s nella stratosfera delle alte latitudini. Questo risultato è particolarmente importante perché nel mese precedente la stessa combinazione produceva soltanto un modesto indebolimento. La massima risposta negativa viene quindi spostata da gennaio verso febbraio. Tale comportamento trova una spiegazione nella distribuzione temporale degli SSW riprodotti nelle simulazioni: negli inverni El Niño–wQBO analizzati dagli autori, le perturbazioni stratosferiche tendono a manifestarsi più frequentemente nella parte successiva dell’inverno, facendo emergere proprio in febbraio il massimo indebolimento del vortice. Si tratta di una dimostrazione molto efficace del fatto che ENSO e QBO non devono essere interpretati soltanto come fattori capaci di cambiare l’ampiezza della risposta stratosferica, ma anche come elementi in grado di modificarne la tempistica.
Il comportamento del pannello 3b è inoltre rilevante per l’interpretazione classica dell’effetto Holton–Tan. In media, la fase orientale della QBO tende a essere associata a un vortice più debole e più facilmente perturbabile, mentre la fase occidentale tende a essere accompagnata da un vortice più intenso. Tuttavia, questa relazione rappresenta una proprietà statistica della circolazione e non una legge deterministica. Gli studi di Anstey e Shepherd e le revisioni successive hanno sottolineato come l’ampiezza dell’effetto QBO dipenda dalla struttura del vortice, dall’attività delle onde planetarie e da altre modalità climatiche, fra cui l’ENSO. Di conseguenza, la wQBO non impedisce affatto un forte indebolimento del vortice se la configurazione troposferica e il forcing ondulatorio risultano favorevoli.
La presenza di El Niño è particolarmente importante in questo contesto perché le anomalie della temperatura superficiale del Pacifico tropicale modificano profondamente la convezione tropicale e, attraverso essa, la sorgente delle onde di Rossby. La conseguente teleconnessione verso il Pacifico settentrionale può alterare la depressione aleutinica, la struttura delle onde planetarie stazionarie e il flusso ondulatorio diretto verso la stratosfera. Quando tali anomalie favoriscono un incremento della propagazione verticale delle onde, queste ultime possono interagire con il vortice, depositare momento e rallentare la circolazione occidentale. L’ENSO esercita pertanto una parte significativa della propria influenza stratosferica non attraverso un riscaldamento diretto dell’Artico, ma attraverso una lunga catena dinamica che collega convezione tropicale, circolazione troposferica extratropicale, onde planetarie e vortice polare.
Il pannello 3c, corrispondente alla combinazione La Niña–eQBO, presenta una risposta complessivamente molto più moderata. Il modello mostra deboli anomalie positive della velocità del vento nella regione del vortice, nonostante in circa metà delle simulazioni compaiano SSW. È però essenziale osservare che questi eventi non sono accompagnati dall’inversione del vento zonale e appartengono quindi alla categoria dei riscaldamenti meno intensi. La configurazione rappresenta un interessante regime intermedio in cui le due influenze tropicali esercitano tendenze almeno parzialmente contrapposte: la eQBO tende statisticamente a favorire una maggiore perturbazione del vortice, mentre La Niña, nel quadro specifico delle simulazioni, è associata a una circolazione polare relativamente più stabile.
Questo comportamento mostra anche perché sia rischioso attribuire a una singola fase della QBO un effetto universale sulla frequenza degli SSW. La probabilità di un riscaldamento dipende dall’intera struttura della circolazione e dal forcing ondulatorio troposferico. Studi recenti continuano a mostrare una modulazione statistica degli SSW da parte della QBO e dell’ENSO, ma sottolineano al tempo stesso la notevole variabilità da un inverno all’altro e l’importanza delle interazioni fra più fattori climatici.
Il risultato più netto della Figura 3 emerge comunque nel pannello 3d, relativo alla combinazione La Niña–wQBO. Nella stratosfera delle alte latitudini compare una vasta anomalia positiva che raggiunge circa +18 m/s, costituendo il massimo rafforzamento del vortice fra le quattro configurazioni simulate. Questo segnale è straordinariamente coerente con quello osservato nel mese di gennaio, quando la stessa configurazione raggiungeva circa +21 m/s. La Niña–wQBO rappresenta quindi non soltanto il regime caratterizzato dal vortice più intenso, ma anche quello nel quale il rafforzamento mostra la maggiore persistenza fra gennaio e febbraio.
La persistenza del segnale è coerente con la scarsità di forti perturbazioni stratosferiche riprodotte dall’ensemble. Nella configurazione La Niña–wQBO il modello simula in febbraio soltanto un SSW minore. In assenza di una forte deposizione di momento ondulatorio capace di destabilizzare il vortice, il getto della notte polare può mantenere velocità occidentali elevate per un periodo relativamente lungo. Si instaura inoltre una relazione dinamica fra stato del vortice e propagazione delle onde: la struttura del vento zonale modifica continuamente le condizioni di propagazione delle onde di Rossby e quindi la quantità di attività ondulatoria in grado di penetrare nella stratosfera polare. La dinamica non è pertanto unidirezionale; le onde modificano il vortice, ma il vortice modifica a sua volta il percorso delle onde.
Proprio questo meccanismo rende particolarmente interessante il confronto fra i pannelli 3b e 3d. In entrambi i casi la QBO è occidentale, ma modificando lo stato dell’ENSO da El Niño a La Niña l’anomalia del vortice passa da circa −12 m/s a circa +18 m/s. La differenza fra le due configurazioni raggiunge quindi approssimativamente 30 m/s. A parità di QBO, ENSO appare dunque in grado di modificare drasticamente la risposta della stratosfera polare. Questa evidenza mostra perché non sia sufficiente affermare che la wQBO corrisponde semplicemente a un vortice più forte: la sua influenza deve essere interpretata nel contesto dello stato tropicale e dell’attività ondulatoria dell’intero emisfero.
Le ricerche sulle teleconnessioni QBO hanno effettivamente mostrato che il collegamento con il vortice può seguire più vie. Oltre alla tradizionale via stratosferica, nella quale la QBO modifica il campo del vento subtropicale e quindi la rifrazione delle onde planetarie, sono state proposte vie che coinvolgono la troposfera tropicale, la convezione e le successive teleconnessioni extratropicali. García-Franco e collaboratori hanno discusso proprio una “tropical route” attraverso cui le anomalie della QBO possono influenzare la convezione tropicale e successivamente la circolazione a latitudini più elevate. Questo quadro rende ancora meno plausibile una semplice relazione lineare QBO–vortice, poiché il risultato finale può dipendere dalla sovrapposizione di percorsi dinamici differenti.
La campitura del flusso di Eliassen–Palm nei pannelli MUAM è fondamentale per capire queste differenze. Nel formalismo della circolazione trasformata di Euler, le anomalie della divergenza del flusso EP rappresentano una misura del forcing delle onde sulla circolazione media. Una maggiore convergenza del flusso EP, espressa da anomalie negative della divergenza, è generalmente associata a un maggiore wave drag occidentale e quindi a una decelerazione dei venti zonali; anomalie positive possono invece accompagnare una minore frenata ondulatoria o una relativa accelerazione del flusso. Poiché nella figura viene rappresentata l’anomalia della divergenza e non il valore totale del forcing ondulatorio, le campiture devono essere interpretate rispetto alla climatologia e non come una misura assoluta dell’attività delle onde.
Rispetto a gennaio, in febbraio le zone di intensa convergenza e divergenza del flusso EP risultano generalmente più circoscritte e presentano ampiezze inferiori. Questo cambiamento è coerente con l’evoluzione stagionale della stratosfera boreale. Con l’avanzare dell’inverno cambia infatti la struttura del getto polare e cambia anche l’ambiente di propagazione delle onde planetarie. Una parte delle perturbazioni più importanti può inoltre essersi già verificata in gennaio, lasciando la circolazione di febbraio in uno stato che dipende fortemente dalla fase di recupero del vortice. Il campo del flusso EP rappresentato nella Figura 3 descrive quindi il forcing ondulatorio del mese, mentre il vento zonale integra anche la risposta agli impulsi avvenuti precedentemente.
Il confronto con MERRA-2 rafforza questa interpretazione. Nel pannello 3e, corrispondente a El Niño, emerge una vasta anomalia negativa del vento nella stratosfera delle alte latitudini, che diventa particolarmente evidente sopra circa 40 km. Ciò indica che gli inverni El Niño inclusi nel composito tendono ad avere in febbraio un vortice meno intenso della climatologia. Tuttavia, tale segnale non deve necessariamente essere attribuito interamente al forcing simultaneo di El Niño. Alcuni di questi inverni sono caratterizzati da SSW precedenti e la forte anomalia negativa può quindi includere l’effetto residuo dell’indebolimento avvenuto durante gennaio.
Il pannello 3f, relativo a La Niña, mostra invece una risposta complessivamente molto meno negativa e, nella regione rilevante per il vortice, una debole tendenza positiva. Gli autori collegano questo comportamento alla scarsità degli SSW nei mesi di febbraio appartenenti al campione La Niña. L’assenza di frequenti perturbazioni maggiori permette infatti alla circolazione occidentale di mantenere velocità relativamente elevate. L’opposizione fra i pannelli 3e e 3f conferma quindi che lo stato del Pacifico tropicale è associato a differenti condizioni statistiche del vortice, pur con un segnale fortemente condizionato dalla variabilità interna.
Ancora più istruttivi sono i pannelli 3g e 3h. Nella eQBO, MERRA-2 presenta un pronunciato segnale negativo alle alte latitudini, mentre la wQBO è associata a una risposta più positiva del vortice. In termini climatologici questa opposizione è compatibile con l’effetto Holton–Tan. Le moderne revisioni della dinamica stratosferica mostrano che la QBO modifica le condizioni di propagazione e rifrazione delle onde di Rossby attraverso cambiamenti del vento subtropicale e della circolazione meridionale secondaria. Il risultato statistico può essere un vortice maggiormente perturbato durante una fase della QBO e più robusto durante l’altra, anche se l’intensità del collegamento varia nel corso della stagione e da un decennio all’altro.
Il composito eQBO di febbraio presenta però un elemento particolarmente significativo: la forte anomalia negativa non riflette soltanto l’effetto diretto della QBO, ma viene amplificata dalla presenza nel campione di vortici ancora fortemente indeboliti in seguito a major SSW verificatisi in gennaio. Questa circostanza rappresenta quasi un caso didattico della difficoltà di stabilire relazioni causali utilizzando esclusivamente compositi osservativi. La QBO può aver favorito uno stato maggiormente suscettibile alla perturbazione; l’SSW può essersi poi verificato settimane prima; infine la rianalisi di febbraio registra la persistenza dell’anomalia. Attribuire l’intero segnale di febbraio alla sola QBO significherebbe ignorare la sequenza temporale degli eventi.
L’influenza della fase precedente del vortice è ancora più importante se si considera la natura degli SSW. Un forte impulso di onde planetarie proveniente dalla troposfera può determinare una rapida decelerazione del getto, un’intensificazione della circolazione residua con subsidenza polare e un riscaldamento adiabatico molto intenso. Nei major warmings il processo arriva fino all’inversione del vento zonale. Dopo l’evento, l’anomalia stratosferica può persistere e in alcune circostanze propagarsi verso la troposfera, influenzando la circolazione extratropicale. È proprio questa persistenza che rende lo stato del vortice una sorgente importante di prevedibilità stagionale e subseasonal.
Le ellissi e le frecce colorate sovrapposte ai pannelli MERRA-2 svolgono in questo contesto una funzione concettuale: collegano le anomalie osservate separatamente per ENSO e QBO alle quattro combinazioni utilizzate in MUAM. La corrispondenza risulta particolarmente convincente per La Niña–wQBO, dove sia i compositi osservativi sia il modello indicano una tendenza verso un vortice forte. È meno soddisfacente per El Niño–eQBO, in cui le rianalisi suggerirebbero un vortice fortemente indebolito mentre MUAM produce in febbraio valori vicini alla media. Questa discrepanza non invalida necessariamente la risposta modellistica; mette invece in evidenza l’importanza del campionamento, delle differenti definizioni delle fasi e soprattutto della tempistica degli SSW.
Da questo punto di vista, una delle conclusioni più interessanti dello studio è che l’influenza della QBO sulla probabilità di SSW sembra dipendere dallo stato dell’ENSO. Nelle simulazioni considerate, modificare la fase della QBO durante La Niña non produce differenze altrettanto nette nella probabilità degli SSW, mentre durante El Niño la fase della QBO modifica sensibilmente il comportamento del vortice e la distribuzione temporale dei riscaldamenti. Il risultato è coerente con una crescente letteratura secondo cui ENSO e QBO non agiscono come forzanti isolate, ma modificano reciprocamente lo stato atmosferico attraverso il quale ciascuna teleconnessione si sviluppa. Le revisioni scientifiche sottolineano esplicitamente che le interazioni QBO–ENSO rappresentano una delle ragioni per cui l’effetto della QBO sul vortice mostra una notevole variabilità da un inverno all’altro.
Questa interpretazione possiede importanti implicazioni anche per la previsione stagionale. ENSO e QBO sono entrambi relativamente prevedibili rispetto alla variabilità meteorologica extratropicale quotidiana e possono pertanto fornire informazioni sullo stato di fondo della stratosfera invernale. Tuttavia, la Figura 3 dimostra perché tali informazioni debbano essere utilizzate probabilisticamente. Sapere che un inverno presenta La Niña e wQBO può indicare un ambiente statisticamente più favorevole a un vortice forte, ma non permette di escludere un SSW. Analogamente, El Niño o eQBO possono aumentare la predisposizione verso un vortice perturbato senza determinare necessariamente un major warming. I sistemi stagionali moderni riescono effettivamente a sfruttare ENSO, QBO e stato iniziale della stratosfera per ottenere una certa abilità probabilistica nella previsione della forza del vortice, ma la componente caotica del forcing ondulatorio rimane essenziale.
Nel complesso, la Figura 3 descrive quindi una stratosfera nella quale il mese di febbraio rappresenta il risultato integrato di forzanti tropicali contemporanee e memoria dinamica dell’inverno precedente. La configurazione La Niña–wQBO mantiene il segnale più robusto di vortice forte, con un’anomalia positiva che raggiunge circa +18 m/s, confermando la persistenza della configurazione già osservata in gennaio. La combinazione El Niño–wQBO evolve invece verso il massimo indebolimento simulato nel mese, raggiungendo circa −12 m/s, mentre La Niña–eQBO produce anomalie relativamente modeste. El Niño–eQBO costituisce il caso più complesso, poiché il modello mostra una risposta prossima alla media nonostante i compositi osservativi di El Niño ed eQBO siano entrambi associati a forti anomalie negative. Proprio questa apparente incongruenza racchiude uno degli insegnamenti più importanti della figura: la risposta del vortice polare non può essere ricostruita sommando semplicemente il segnale medio di ENSO e quello della QBO.
La Figura 3 rafforza pertanto una concezione della stratosfera polare come sistema dinamico fortemente condizionato dallo stato e dotato di memoria. ENSO modifica la struttura delle teleconnessioni troposferiche e delle sorgenti delle onde planetarie; la QBO altera il vento della stratosfera tropicale e subtropicale, la circolazione meridionale e le condizioni di rifrazione delle onde; le onde di Rossby trasportano quantità di moto verso la stratosfera e interagiscono con il vortice; gli SSW possono infine riorganizzare quasi completamente la circolazione e lasciare un’impronta persistente nelle settimane successive. La variabilità osservata in febbraio rappresenta dunque il risultato di questa intera catena di processi. È precisamente per questa ragione che il confronto tra le Figure 2 e 3 è così rilevante: esso mostra che la combinazione ENSO–QBO non determina soltanto quanto il vortice possa essere forte o debole, ma contribuisce anche a modulare quando la risposta raggiunge la massima intensità e quanto a lungo essa persista nel corso dell’inverno boreale.
3.2. Cambiamenti della temperatura e dei flussi meridionali
L’analisi congiunta della temperatura e della circolazione meridionale residua rappresenta un passaggio essenziale per comprendere in che modo le diverse combinazioni tra Quasi-Biennial Oscillation ed El Niño–Southern Oscillation modifichino non soltanto l’intensità del vortice polare stratosferico, ma anche la struttura termodinamica dell’intera atmosfera media. Se il vento zonale consente di valutare direttamente il rafforzamento o l’indebolimento del vortice, la temperatura e la Residual Meridional Circulation, o RMC, permettono di ricostruire il sistema dinamico che accompagna tali modificazioni. La RMC descrive infatti la componente meridionale e verticale della circolazione atmosferica che emerge nel formalismo della Transformed Eulerian Mean ed è strettamente collegata al forcing esercitato dalle onde atmosferiche. Essa costituisce quindi una rappresentazione dinamicamente significativa del trasporto di massa nella stratosfera e nella mesosfera, risultando molto più utile della semplice circolazione media euleriana quando si vuole comprendere il trasporto effettivo di calore, quantità di moto e specie chimiche. Questa impostazione si collega direttamente alla moderna interpretazione della Brewer–Dobson circulation, una circolazione globale caratterizzata da risalita tropicale, trasporto verso le medie e alte latitudini e successiva discesa nelle regioni extratropicali, il cui forcing fondamentale deriva dalla dissipazione delle onde di Rossby e delle onde di gravità.
In questo quadro, l’effetto Holton–Tan rappresenta soltanto una parte della relazione tra QBO e vortice polare. La formulazione classica dell’effetto associa generalmente la fase orientale della QBO nella bassa stratosfera tropicale a un vortice polare boreale più debole e caldo, mentre la fase occidentale tende ad accompagnarsi a una circolazione polare più intensa e fredda. Tuttavia, gli studi successivi hanno mostrato che questa teleconnessione non può essere interpretata esclusivamente attraverso lo spostamento delle superfici critiche per la propagazione delle onde planetarie. Gli esperimenti idealizzati condotti con modelli stratosferici hanno evidenziato che le variazioni della circolazione meridionale media associate alla QBO possono essere almeno altrettanto importanti, se non più importanti, degli effetti puramente legati alle critical lines. Garfinkel e collaboratori hanno mostrato, in particolare, che la circolazione meridionale indotta direttamente dalle anomalie di vento della QBO modifica la distribuzione della temperatura e le condizioni di propagazione delle onde alle medie latitudini, contribuendo quindi alla risposta del vortice polare. Questo risultato ha ampliato profondamente l’interpretazione originaria del meccanismo Holton–Tan.
La sezione estende questo quadro dinamico all’ENSO, suggerendo che anche le anomalie tropicali associate a El Niño e La Niña possano modificare la circolazione meridionale residua e, attraverso essa, la struttura termica della stratosfera e della mesosfera polare. L’idea è particolarmente rilevante perché ENSO viene spesso interpretato principalmente in termini di teleconnessioni troposferiche e propagazione verticale delle onde planetarie. In realtà, una volta che tali onde interagiscono con la stratosfera, il loro forcing modifica la circolazione residua e produce una risposta termodinamica che può estendersi dalla stratosfera fino alla mesosfera. La temperatura polare diventa pertanto una conseguenza integrata dell’interazione fra propagazione ondulatoria, accelerazione o decelerazione del flusso zonale e circolazione meridionale indotta.
Dal punto di vista dinamico, questo legame è fondamentale. Quando le onde planetarie depositano quantità di moto nella stratosfera invernale, esse non si limitano a rallentare i venti occidentali del vortice. Il forcing ondulatorio induce anche una circolazione meridionale secondaria: l’aria tende a salire in alcune regioni e a discendere in altre. La subsidenza alle alte latitudini comporta compressione adiabatica e quindi riscaldamento, mentre la risalita produce espansione e raffreddamento. Per questo motivo, vortice, RMC e temperatura non sono variabili indipendenti, ma differenti manifestazioni dello stesso sistema dinamico. La moderna teoria della Brewer–Dobson circulation identifica proprio nel wave drag il motore principale di questa circolazione globale, mostrando come la dissipazione delle onde permetta il trasporto meridionale di massa che altrimenti sarebbe fortemente limitato dalla conservazione del momento angolare.
I risultati relativi al mese di gennaio mostrano in modo particolarmente chiaro questa interdipendenza. La combinazione La Niña–wQBO produce il trasporto più intenso dall’emisfero estivo verso quello invernale nella regione della mesopausa e della bassa termosfera. In questa configurazione la circolazione meridionale è accompagnata da un’anomalia termica positiva che raggiunge circa +10 K fra 60 e 80 km e fra 55°N e 90°N. L’aumento della temperatura nella mesosfera polare è interpretabile come il risultato della maggiore subsidenza associata alla circolazione residua intensificata. Quando l’aria discende, viene compressa e si riscalda adiabaticamente, producendo quindi un’anomalia positiva rispetto alla climatologia.
Particolarmente interessante è il fatto che, immediatamente al di sotto di tale anomalia calda mesosferica, nella stratosfera polare compaia invece un’anomalia negativa della temperatura. Questa struttura verticale dipolare indica che il rafforzamento della circolazione non determina un riscaldamento uniforme dell’intera atmosfera polare. Stratosfera e mesosfera rispondono infatti in maniera differente alla distribuzione verticale del forcing ondulatorio e alla struttura del flusso medio. Nella combinazione La Niña–wQBO il vortice stratosferico rimane molto intenso, come mostrato anche dalle anomalie positive del vento zonale nelle Figure 2 e 3, e ciò favorisce temperature stratosferiche polari inferiori alla climatologia. Al di sopra, tuttavia, la circolazione residua associata alla dinamica mesosferica genera una forte subsidenza e quindi un riscaldamento. Il risultato è una configurazione caratterizzata da stratosfera fredda e mesosfera calda.
Questa struttura termica possiede un significato diretto per la stabilità del vortice. Un vortice polare stratosferico forte è infatti strettamente associato a un marcato gradiente meridionale di temperatura, secondo il bilancio del vento termico. Un polo stratosferico più freddo rispetto alle medie latitudini sostiene quindi venti occidentali più intensi. La combinazione La Niña–wQBO produce esattamente questa configurazione: anomalie termiche negative nella stratosfera polare, venti zonali rafforzati e una frequenza molto ridotta di riscaldamenti stratosferici improvvisi. Il quadro dinamico e termodinamico risulta dunque internamente coerente e indica che questa particolare combinazione di oscillazioni tropicali favorisce, nelle simulazioni considerate, uno stato del vortice relativamente stabile e persistente.
La situazione opposta emerge durante El Niño–eQBO. In questo caso il trasporto meridionale dall’emisfero estivo verso quello invernale risulta notevolmente più debole nella mesosfera polare e si sviluppa un’anomalia negativa della temperatura compresa approssimativamente fra −6 e −8 K tra 60 e 80 km. Contemporaneamente, al di sotto di questa regione, nella stratosfera polare fra circa 23 e 55 km, compare una forte anomalia positiva che può raggiungere +10 K. Tale configurazione rappresenta quasi l’immagine speculare del caso La Niña–wQBO: mesosfera relativamente fredda, stratosfera polare calda e vortice fortemente indebolito.
Il forte riscaldamento stratosferico osservato durante El Niño–eQBO è strettamente connesso all’elevata frequenza degli SSW nelle simulazioni appartenenti a questa configurazione. Un sudden stratospheric warming rappresenta infatti una perturbazione estrema del bilancio dinamico della stratosfera invernale. L’intensificazione della propagazione delle onde planetarie verso il vortice produce una forte convergenza del flusso di Eliassen–Palm, rallenta rapidamente i venti occidentali e induce una marcata circolazione residua con subsidenza sopra la regione polare. Il riscaldamento adiabatico che ne consegue può essere molto intenso e, negli eventi maggiori, accompagnarsi all’inversione completa del vento zonale. La presenza di numerosi SSW, compresi eventi maggiori, spiega quindi perché la stratosfera polare risulti eccezionalmente calda nella combinazione El Niño–eQBO.
Questo risultato è coerente con la letteratura sull’influenza dell’ENSO sulla stratosfera artica, sebbene la relazione mostri una notevole variabilità interdecadale. Diversi studi osservativi e modellistici hanno individuato durante El Niño una tendenza verso un vortice mediamente più debole, collegata a una maggiore propagazione delle onde planetarie dalla troposfera del Pacifico settentrionale verso la stratosfera. Tuttavia, Garfinkel e collaboratori hanno mostrato che questa teleconnessione non è rimasta ugualmente robusta negli ultimi decenni, evidenziando l’importanza della variabilità interna atmosferica e ricordando che l’associazione ENSO–vortice deve essere considerata probabilistica e non deterministica.
La QBO introduce un ulteriore livello di modulazione. La revisione di Anstey e Shepherd ha evidenziato come la risposta del vortice polare alla QBO dipenda non soltanto dalla fase orientale o occidentale nella bassa stratosfera, ma dalla struttura verticale dell’intera oscillazione, dalla stagione, dall’attività ondulatoria e dalla contemporanea presenza di altre sorgenti di variabilità come ENSO e ciclo solare. La combinazione El Niño–eQBO può pertanto essere interpretata come una configurazione nella quale differenti meccanismi tendono a creare contemporaneamente condizioni favorevoli all’indebolimento del vortice: El Niño modifica la sorgente e la propagazione delle onde planetarie, mentre la QBO orientale altera il waveguide stratosferico e la circolazione meridionale tropicale-subtropicale.
L’anomalia mesosferica negativa che accompagna il riscaldamento stratosferico durante El Niño–eQBO costituisce inoltre un elemento molto interessante dal punto di vista della dinamica verticale. I forti disturbi stratosferici possono infatti produrre una risposta di segno opposto nella mesosfera, un comportamento noto in numerosi studi sulla dinamica degli SSW. Quando il vortice stratosferico viene fortemente perturbato, cambia anche la filtrazione delle onde di gravità che raggiungono la mesosfera. La conseguente riorganizzazione del wave drag mesosferico può alterare la circolazione residua superiore e produrre un raffreddamento della regione mesosferica polare. Il dipolo caldo-stratosfera/freddo-mesosfera osservato nelle simulazioni rappresenta quindi una manifestazione dell’accoppiamento verticale tra differenti strati dell’atmosfera media.
Il caso El Niño–wQBO occupa una posizione intermedia. In gennaio la circolazione meridionale residua risulta indebolita, come indicato dalla componente diretta verso sud delle frecce intorno agli 80 km alle alte latitudini. L’anomalia negativa della temperatura mesosferica risulta più modesta rispetto alla configurazione El Niño–eQBO, raggiungendo circa −2/−4 K tra 58 e 80 km e tra 60°N e 90°N. Nella stratosfera sottostante compare contemporaneamente un’anomalia positiva di circa +4/+6 K. Il quadro mostra quindi ancora la firma di un vortice disturbato, ma con un’intensità inferiore rispetto al caso eQBO.
Questa differenza illustra in modo particolarmente efficace il ruolo della QBO come modulatore della risposta ENSO. A parità di El Niño, cambiare la fase della QBO modifica la forza della circolazione residua, l’ampiezza dell’anomalia termica e la struttura del vortice. La wQBO tende a favorire condizioni mediamente più stabili nella stratosfera, opponendosi parzialmente alla tendenza di El Niño verso una maggiore perturbazione del vortice. Tuttavia, come mostrato dalla precedente analisi dei venti zonali di febbraio, tale compensazione non rimane costante durante tutta la stagione: gli SSW possono spostare temporalmente la risposta, producendo un vortice fortemente indebolito anche durante El Niño–wQBO nella parte più avanzata dell’inverno.
Una situazione speculare si osserva nella combinazione La Niña–eQBO. In gennaio il trasporto verso l’emisfero invernale risulta intensificato nella regione compresa fra circa 50°N e 90°N e intorno a 78–80 km, ma resta più debole rispetto al regime La Niña–wQBO. La mesosfera polare presenta una modesta anomalia positiva, generalmente inferiore a +6 K, mentre nella stratosfera compare un’anomalia negativa dell’ordine di −2/−4 K. Anche in questo caso la risposta può essere interpretata come il risultato di forzanti che esercitano effetti almeno parzialmente contrapposti. La Niña tende, nella configurazione simulata, a mantenere un vortice più intenso, mentre eQBO favorisce una maggiore perturbazione della circolazione stratosferica.
Il confronto fra le quattro combinazioni permette quindi di identificare El Niño–eQBO e La Niña–wQBO come due regimi estremi. Non sono estremi soltanto per quanto riguarda il vento zonale, ma anche nella struttura verticale della temperatura e della circolazione meridionale. Nel primo caso la stratosfera polare è fortemente riscaldata mentre la mesosfera è raffreddata; nel secondo accade sostanzialmente il contrario. Questo dipolo verticale dimostra che la teleconnessione tropicale non si arresta alla stratosfera ma coinvolge l’intera atmosfera media fino alla regione della mesopausa.
Tali strutture verticali hanno conseguenze importanti anche per il trasporto delle specie chimiche. La circolazione meridionale residua controlla infatti in maniera sostanziale la distribuzione di ozono, vapore acqueo, ossidi di azoto e numerosi altri traccianti atmosferici. La Brewer–Dobson circulation costituisce il principale sistema mediante il quale l’aria tropicale viene trasportata verso le medie e alte latitudini stratosferiche, modificando la composizione chimica e l’età dell’aria. Le variazioni della velocità e della struttura di questa circolazione possono pertanto produrre anomalie nella distribuzione dell’ozono e di altre specie chimicamente attive. Butchart sottolinea che la Brewer–Dobson circulation esercita un controllo fondamentale non soltanto sulla temperatura stratosferica, ma anche sul trasporto dell’ozono, sulla vita media di numerosi composti e sullo scambio di massa tra troposfera e stratosfera.
L’effetto diventa ancora più complesso nella mesosfera, dove alle onde planetarie si sovrappone il ruolo fondamentale delle onde di gravità. A causa della diminuzione della densità atmosferica con l’altitudine, queste onde crescono di ampiezza durante la propagazione verticale e possono infine rompersi o dissiparsi, depositando momento e forzando la circolazione meridionale mesosferica. La distribuzione del vento stratosferico determina quali onde di gravità riescano a propagarsi verso la mesosfera e quali vengano invece filtrate a quote inferiori. Pertanto una variazione del vortice stratosferico può modificare indirettamente la circolazione mesosferica anche senza un collegamento diretto di massa. Questo meccanismo contribuisce a spiegare perché anomalie stratosferiche e mesosferiche possano frequentemente presentare segno opposto.
Il confronto fra gennaio e febbraio evidenzia inoltre una notevole persistenza della configurazione La Niña–wQBO. Anche nel secondo mese dell’anno questa combinazione produce il massimo trasporto verso l’emisfero invernale nella mesosfera e un’anomalia positiva della temperatura che raggiunge ancora circa +10 K alle latitudini superiori a 55°N. La stratosfera polare compresa approssimativamente fra 23 e 55 km rimane invece più fredda della climatologia. In termini dinamici, il sistema conserva quindi la stessa struttura generale osservata in gennaio: vortice stratosferico forte e freddo, accompagnato da una mesosfera polare relativamente calda.
Questa persistenza è particolarmente significativa perché indica che La Niña–wQBO non rappresenta semplicemente un’anomalia episodica, ma un regime capace di mantenersi per una parte sostanziale dell’inverno. La ridotta frequenza di SSW nelle simulazioni impedisce che il vortice venga fortemente destabilizzato e consente alla struttura termodinamica associata al regime forte di persistere. Il flusso meridionale risulta tuttavia più ristretto alle medie latitudini nel mese di febbraio, mostrando che anche una configurazione persistente evolve con l’avanzare della stagione.
La risposta più significativa di febbraio emerge invece per la combinazione El Niño–wQBO, nella quale si osserva la più marcata attenuazione della circolazione meridionale residua. Rispetto a gennaio, il massimo indebolimento si sposta leggermente verso quote superiori e non si accompagna allo stesso rafforzamento equatoriale. Contemporaneamente le anomalie termiche polari occupano un’area più ampia: nella mesosfera compaiono anomalie negative fino a circa −8 K, mentre la stratosfera presenta anomalie positive. Questo quadro è coerente con l’indebolimento del vortice zonale evidenziato dalla Figura 3 e con la maggiore frequenza di perturbazioni stratosferiche in febbraio per questa configurazione.
La diversa evoluzione temporale delle quattro combinazioni rivela uno degli aspetti più importanti dello studio: la risposta atmosferica a ENSO e QBO non dipende soltanto dallo stato istantaneo delle oscillazioni, ma dalla sequenza dinamica accumulata nei mesi precedenti. Un forte SSW di gennaio può lasciare il vortice indebolito in febbraio; analogamente, un inverno privo di importanti perturbazioni può permettere al vortice di rimanere forte per molte settimane. La temperatura e la RMC di febbraio incorporano quindi una memoria dinamica che rende la risposta molto più complessa rispetto a una semplice relazione contemporanea con ENSO o QBO.
Questa memoria è particolarmente evidente durante le fasi eQBO di febbraio. Indipendentemente dallo stato ENSO, la circolazione meridionale residua alle medie e alte latitudini diventa relativamente simile alla climatologia, mentre le principali anomalie si concentrano nella regione equatoriale fra circa 80 e 110 km. Ciò indica che il segnale diretto della QBO sulla circolazione residua extratropicale può indebolirsi con il procedere dell’inverno, mentre rimangono più evidenti le anomalie legate alla struttura tropicale e mesosferica dell’oscillazione.
Dal punto di vista fisico, questo comportamento è compatibile con il fatto che la QBO non influenza le alte latitudini attraverso un unico meccanismo costante durante tutta la stagione. Anstey e Shepherd hanno sottolineato come l’effetto Holton–Tan mostri una forte dipendenza dalla quota e dalla fase stagionale e come le interazioni fra QBO, vortice e onde planetarie possano cambiare significativamente fra inizio, centro e fine dell’inverno. Il vortice stesso modifica infatti le condizioni di propagazione delle onde, introducendo una retroazione che rende il sistema fortemente dipendente dal suo stato precedente.
La sezione mette quindi in evidenza un risultato di grande importanza concettuale: la relazione fra oscillazioni tropicali e vortice polare non può essere descritta soltanto osservando il vento zonale. Per comprenderla è necessario considerare simultaneamente circolazione residua, temperatura, propagazione ondulatoria e storia degli SSW. Il vento zonale rappresenta il risultato macroscopico della risposta del vortice; la temperatura mostra la conseguenza termodinamica della circolazione indotta; la RMC descrive il trasporto di massa associato al forcing ondulatorio; la distribuzione dei traccianti chimici rappresenta infine l’impronta integrata di tali movimenti atmosferici.
Nel caso La Niña–wQBO tutti questi elementi convergono verso una configurazione caratterizzata da vortice forte, stratosfera polare fredda, mesosfera polare calda e circolazione meridionale intensa. Nel caso El Niño–eQBO emerge invece il regime opposto: vortice debole, forte riscaldamento della stratosfera polare, raffreddamento mesosferico e maggiore incidenza degli SSW. Le combinazioni La Niña–eQBO ed El Niño–wQBO producono risposte intermedie, dimostrando come ENSO e QBO possano attenuarsi, rafforzarsi o modificarsi reciprocamente a seconda della fase della stagione.
Questa visione è coerente con la moderna concezione della circolazione atmosferica media come sistema fortemente accoppiato verticalmente. La Brewer–Dobson circulation e le sue estensioni mesosferiche non sono semplicemente correnti meridionali passive, ma risposte dinamiche al forcing delle onde. Le variazioni della propagazione ondulatoria prodotte da ENSO e QBO modificano il wave drag, il wave drag modifica la circolazione residua, la circolazione residua modifica la temperatura attraverso riscaldamento e raffreddamento adiabatico e il nuovo campo termico modifica a sua volta il vento zonale attraverso il bilancio del vento termico. Si crea quindi una catena dinamica interconnessa nella quale nessuna variabile può essere compresa isolatamente.
Il significato scientifico della sezione 3.2 risiede proprio in questa interpretazione integrata. ENSO e QBO non esercitano semplicemente una forza diretta sul vortice polare, ma modificano le condizioni dinamiche all’interno delle quali le onde atmosferiche propagano, dissipano energia e trasferiscono quantità di moto. La circolazione meridionale residua rappresenta il ponte dinamico attraverso cui questa interazione ondulatoria viene trasformata in variazioni della temperatura e del trasporto atmosferico. Le configurazioni estreme El Niño–eQBO e La Niña–wQBO costituiscono quindi due stati opposti dell’intero sistema atmosfera media: il primo favorevole a forte perturbazione stratosferica e maggiore probabilità di SSW, il secondo favorevole a un vortice freddo, intenso e persistente. La presenza di anomalie di segno opposto fra stratosfera e mesosfera dimostra inoltre che la risposta non è confinata al vortice stesso, ma coinvolge una colonna atmosferica molto più estesa e potenzialmente influenza anche la distribuzione delle specie chimiche. In questa prospettiva, lo studio rafforza l’idea che la prevedibilità del vortice polare debba essere affrontata considerando simultaneamente ENSO, QBO, propagazione delle onde planetarie, circolazione meridionale residua e memoria dinamica degli SSW: soltanto l’analisi congiunta di questi elementi permette di descrivere in maniera fisicamente coerente l’evoluzione della stratosfera e della mesosfera polare durante l’inverno boreale.
Figura 4 – Risposta della temperatura e della circolazione meridionale residua alle diverse combinazioni ENSO–QBO nel mese di gennaio
La Figura 4 costituisce un passaggio fondamentale per comprendere la natura tridimensionale delle teleconnessioni che collegano la variabilità tropicale alla dinamica della stratosfera e della mesosfera polare. Mentre l’analisi del vento zonale permette di stabilire se il vortice polare risulti mediamente rafforzato oppure indebolito nelle diverse combinazioni tra ENSO e QBO, il campo termico e la circolazione meridionale residua, indicata come RMC, consentono di risalire ai processi dinamici che accompagnano tali modificazioni. La figura mostra infatti, per il mese di gennaio, le anomalie della temperatura rispetto alla climatologia mediante le campiture colorate e le anomalie della RMC mediante vettori nel piano latitudine–quota. Le quattro configurazioni considerate sono El Niño associato alla fase orientale della QBO nel pannello a, El Niño associato alla fase occidentale nel pannello b, La Niña associata alla fase orientale nel pannello c e La Niña associata alla fase occidentale nel pannello d. È importante osservare fin dall’inizio che la componente verticale della circolazione residua è stata moltiplicata per 200 dagli autori esclusivamente per renderla graficamente visibile: l’inclinazione delle frecce non rappresenta quindi il rapporto reale tra velocità verticale e meridionale. Le regioni tratteggiate in grigio identificano inoltre le aree nelle quali le variazioni non raggiungono la significatività statistica al 95%, per cui l’interpretazione fisica deve concentrarsi soprattutto sulle strutture spazialmente coerenti e statisticamente robuste.
Dal punto di vista teorico, la scelta di utilizzare la circolazione meridionale residua è particolarmente appropriata. Nel formalismo della Transformed Eulerian Mean, sviluppato da Andrews e McIntyre, la RMC combina in una forma dinamicamente significativa gli effetti del moto medio e del trasporto associato alle perturbazioni atmosferiche. Per molte applicazioni stratosferiche essa costituisce una buona approssimazione della circolazione diabatico-meridionale effettiva e permette quindi di descrivere più realisticamente il trasporto di massa rispetto alla semplice circolazione euleriana media. La grande circolazione stratosferica nota come Brewer–Dobson circulation presenta infatti risalita dell’aria nelle regioni tropicali, trasporto verso le latitudini extratropicali e subsidenza alle medie e alte latitudini; il suo mantenimento è legato in larga misura al drag esercitato dalla dissipazione delle onde atmosferiche. Butchart, nella sua ampia revisione della Brewer–Dobson circulation, sottolinea come questo trasporto globale sia essenzialmente wave-driven e come onde planetarie, onde sinottiche e onde di gravità contribuiscano, con importanza relativa variabile con quota e stagione, al forcing della circolazione residua.
Questo quadro consente di capire perché temperatura e RMC debbano essere interpretate congiuntamente. Quando il forcing ondulatorio modifica la circolazione residua, l’aria è costretta a salire in alcune regioni e a scendere in altre. La risalita produce espansione e raffreddamento adiabatico, mentre la subsidenza determina compressione e riscaldamento. Le anomalie termiche rappresentate nella Figura 4 non costituiscono quindi fenomeni indipendenti dalla dinamica, ma sono in larga parte la risposta termodinamica alla riorganizzazione della circolazione atmosferica. La stessa Brewer–Dobson circulation può essere interpretata attraverso questo meccanismo: la dissipazione delle onde produce un drag che induce una circolazione meridionale con moto ascendente tropicale e moto discendente extratropicale. Butchart descrive questo processo attraverso il concetto di “extratropical pump” o “Rossby-wave pump”, sottolineando il carattere non locale del legame tra wave drag e trasporto meridionale di massa.
La Figura 4 permette inoltre di estendere questa interpretazione dalla stratosfera alla mesosfera e alla regione della mesopausa. La risposta atmosferica alle combinazioni ENSO–QBO non termina infatti intorno alla stratopausa, ma coinvolge quote superiori agli 80 km e, nelle simulazioni MUAM, arriva fino alla bassa termosfera. In questa regione il ruolo relativo delle onde di gravità diviene progressivamente più importante. Poiché la densità atmosferica diminuisce rapidamente con l’altitudine, l’ampiezza delle onde di gravità può aumentare durante la propagazione verticale fino al punto in cui esse dissipano o rompono, depositando quantità di moto nel flusso medio. La struttura del vento nella stratosfera determina però quali componenti dello spettro ondulatorio riescano a raggiungere la mesosfera. Una modificazione del vortice stratosferico può quindi cambiare il “filtro” attraversato dalle onde di gravità e produrre importanti conseguenze nella circolazione mesosferica. Tale accoppiamento verticale è particolarmente importante durante i sudden stratospheric warmings, quando la struttura del vento viene profondamente riorganizzata e la risposta può propagarsi dalla stratosfera fino alla mesosfera e alla bassa termosfera. Le revisioni di Chandran et al. e Yiğit e Medvedev mostrano proprio che la redistribuzione del forcing delle onde planetarie e di gravità è fondamentale per comprendere l’accoppiamento stratosfera–mesosfera durante e dopo gli SSW.
Il risultato più evidente della Figura 4 è il contrasto quasi speculare tra le configurazioni El Niño–eQBO e La Niña–wQBO. Nel pannello 4a, corrispondente a El Niño associato alla fase orientale della QBO, compare una marcata anomalia positiva della temperatura nella stratosfera polare, concentrata approssimativamente tra 23 e 55 km e capace di raggiungere valori dell’ordine di +10 K. Sopra questa regione, fra circa 60 e 80 km, la situazione si inverte e compare una forte anomalia negativa che raggiunge circa −6/−8 K. Il sistema assume quindi una struttura verticale dipolare costituita da stratosfera polare anormalmente calda e mesosfera polare relativamente fredda. La configurazione è coerente con quanto emerso dalla Figura 2, nella quale El Niño–eQBO produceva il più intenso indebolimento del vento zonale polare nel mese di gennaio. Temperatura, vento e circolazione residua descrivono pertanto aspetti complementari dello stesso regime dinamico.
Il forte riscaldamento stratosferico della configurazione El Niño–eQBO è coerente con l’elevato numero di sudden stratospheric warmings riprodotti nelle simulazioni per questo regime. Durante un SSW, un forte incremento dell’attività delle onde planetarie e della loro interazione con il vortice determina una rapida decelerazione del flusso occidentale. Il forcing ondulatorio induce contemporaneamente una circolazione residua con marcata subsidenza sopra la regione polare. L’aria discendente viene compressa e si riscalda adiabaticamente, spiegando perché un vortice fortemente rallentato sia normalmente associato a un forte aumento della temperatura della stratosfera artica. La relazione non è semplicemente correlativa: vento zonale, temperatura e circolazione residua fanno parte del medesimo bilancio dinamico. Quando la perturbazione diviene sufficientemente intensa, l’evento può culminare nell’inversione dei venti occidentali e quindi soddisfare il criterio dinamico di un major SSW.
La presenza contemporanea di El Niño e della QBO orientale può favorire questo tipo di configurazione attraverso due percorsi dinamici distinti ma interagenti. Da una parte, El Niño modifica la convezione tropicale e la circolazione del Pacifico settentrionale, influenzando l’ampiezza delle onde planetarie che raggiungono la stratosfera. Garfinkel e Hartmann hanno mostrato che gli eventi ENSO caldi possono intensificare la componente planetaria di numero d’onda zonale 1 attraverso la risposta del pattern Pacific–North American e l’approfondimento della depressione aleutinica; nelle loro analisi l’aumento dell’onda 1 prevale sulla diminuzione dell’onda 2, producendo nel complesso un vortice più debole. Dall’altra parte, la eQBO modifica il campo del vento tropicale e subtropicale e quindi le condizioni di propagazione delle onde verso le alte latitudini.
La relazione fra QBO e vortice polare è tradizionalmente identificata con l’effetto Holton–Tan. In termini climatologici, la fase orientale della QBO nella bassa stratosfera tropicale tende a essere associata a una stratosfera polare più calda e a un vortice più debole, mentre la fase occidentale tende a essere accompagnata da condizioni opposte. Tuttavia, la letteratura moderna ha profondamente raffinato l’interpretazione di questo meccanismo. Anstey e Shepherd hanno sottolineato che rimangono importanti questioni aperte riguardo ai livelli verticali della QBO maggiormente responsabili della teleconnessione e alla sua interazione con altre fonti di variabilità, fra cui ENSO. Ancora più rilevante per la Figura 4 è il risultato di Garfinkel, Shaw, Hartmann e Waugh: negli esperimenti idealizzati con WACCM, l’effetto della circolazione meridionale media associata alla QBO risulta più importante per la risposta del vortice rispetto alla sola posizione delle critical lines enfatizzata nella formulazione più semplice del meccanismo Holton–Tan. La Figura 4 è quindi particolarmente significativa proprio perché mostra esplicitamente la RMC, mettendo in evidenza quella componente della teleconnessione che non può essere compresa osservando esclusivamente il vento zonale.
È inoltre importante non considerare El Niño ed eQBO come due semplici contributi che si sommano linearmente. Lo stesso lavoro di Garfinkel e Hartmann sulle teleconnessioni ENSO mostra che la risposta stratosferica dipende dallo stato contemporaneo della QBO e dalla configurazione troposferica attraverso cui il segnale ENSO viene trasmesso. Gli autori notarono, ad esempio, che durante eQBO la risposta PNA agli episodi ENSO caldi non risultava robusta nel campione osservativo disponibile, sottolineando quanto sia complessa la separazione statistica dei due segnali. Già in un lavoro precedente, Garfinkel e Hartmann avevano mostrato che ENSO e QBO esercitano effetti di ampiezza comparabile sulle temperature polari stratosferiche e che, durante gli eventi ENSO caldi, l’Artico tende mediamente a essere più caldo, mentre durante ENSO freddo tende a essere più freddo. Analogamente, wQBO risultava associata a un polo più freddo ed eQBO a uno più caldo nella prima parte dell’inverno. Questi risultati forniscono quindi un contesto osservativo importante al forte riscaldamento stratosferico del pannello 4a, pur ricordando che la combinazione specifica ENSO–QBO deve essere interpretata probabilisticamente.
L’anomalia fredda mesosferica sovrastante il riscaldamento stratosferico nel pannello 4a merita particolare attenzione. Essa rappresenta uno dei segnali più chiari dell’accoppiamento verticale dell’atmosfera media. Durante un forte disturbo stratosferico, il cambiamento dei venti altera il filtraggio delle onde di gravità che si propagano dalla bassa atmosfera. Determinate componenti dello spettro ondulatorio che prima venivano assorbite nella stratosfera possono raggiungere quote più elevate, mentre altre vengono bloccate o dissipate a livelli differenti. Di conseguenza cambia il drag mesosferico e cambia la circolazione meridionale residua superiore. Gli studi sullo stratosphere–mesosphere coupling durante gli SSW mostrano che un intenso riscaldamento stratosferico può accompagnarsi a un raffreddamento mesosferico e a profonde modificazioni della circolazione fino alla mesopausa; nel periodo successivo possono inoltre svilupparsi strutture come una stratopausa elevata. La struttura caldo-stratosfera/freddo-mesosfera della Figura 4a è quindi fisicamente coerente con il comportamento osservato e simulato durante forti perturbazioni del vortice.
La configurazione rappresentata nel pannello 4b, El Niño–wQBO, conserva alcuni elementi del regime precedente ma ne attenua fortemente l’ampiezza. Nella stratosfera polare compare ancora una regione più calda della climatologia, ma il massimo risulta generalmente limitato a circa +4/+6 K; nella mesosfera, tra circa 58 e 80 km, l’anomalia fredda è dell’ordine di −2/−4 K, quindi notevolmente inferiore rispetto al pannello 4a. Anche la struttura della RMC differisce: intorno agli 80 km e alle alte latitudini, le frecce assumono una componente diretta verso sud, cioè verso latitudini inferiori, evidenziando un indebolimento del normale trasporto verso l’emisfero invernale. A parità di El Niño, quindi, il passaggio da eQBO a wQBO riduce sensibilmente l’ampiezza del dipolo termico stratosfera–mesosfera.
Tale confronto dimostra con particolare chiarezza la funzione modulatrice della QBO. Non è necessario pensare alla wQBO come a una forzante che “blocca” l’influenza di El Niño; è più corretto considerarla come una modificazione dello stato di fondo del vento e della circolazione residua sulla quale agisce il forcing ondulatorio associato all’ENSO. La propagazione di un’onda di Rossby dipende infatti dal profilo verticale e meridionale del vento attraverso cui l’onda deve propagarsi. Cambiando la QBO cambia quindi il mezzo dinamico attraverso il quale la teleconnessione ENSO raggiunge la stratosfera. Questo principio è alla base delle difficoltà evidenziate da Anstey e Shepherd nel separare le molteplici componenti della teleconnessione QBO–vortice.
Il pannello 4c, relativo a La Niña–eQBO, costituisce un altro regime intermedio. In questo caso il trasporto dall’emisfero estivo verso quello invernale nella mesosfera è più intenso rispetto alla configurazione El Niño–eQBO, soprattutto intorno a 78–80 km e fra circa 50° e 90°N, ma rimane inferiore a quello raggiunto nel pannello 4d. La mesosfera polare presenta una moderata anomalia calda, generalmente inferiore a +6 K, mentre la stratosfera polare mostra anomalie negative relativamente deboli, comprese approssimativamente fra −2 e −4 K. Il risultato suggerisce una parziale competizione tra le due componenti tropicali: La Niña tende, nel quadro di queste simulazioni, a essere associata a un vortice più forte e a una stratosfera polare più fredda, mentre eQBO introduce una tendenza dinamica opposta.
Il pannello 4d, La Niña–wQBO, rappresenta invece l’altro estremo dell’intero esperimento. La circolazione residua mostra il massimo trasporto dall’emisfero estivo verso l’emisfero invernale nella regione mesosferica, accompagnato da un riscaldamento alle alte latitudini che raggiunge circa +10 K tra 60 e 80 km. Nella stratosfera sottostante si sviluppa invece un’ampia anomalia fredda. Questa struttura è quasi speculare rispetto alla configurazione El Niño–eQBO: nel primo caso la stratosfera è fredda e la mesosfera calda; nel secondo la stratosfera è calda e la mesosfera fredda. Il confronto tra i pannelli 4a e 4d rappresenta dunque probabilmente il messaggio più importante della figura.
La stratosfera fredda nella combinazione La Niña–wQBO è perfettamente coerente con il forte vortice evidenziato nella Figura 2. Il collegamento può essere compreso attraverso il bilancio del vento termico: un forte contrasto meridionale di temperatura tra le basse e le alte latitudini sostiene un intenso gradiente verticale dei venti zonali e quindi forti venti occidentali nella stratosfera invernale. Quando la regione polare rimane relativamente fredda, il gradiente meridionale resta pronunciato e il getto della notte polare può mantenere velocità elevate. Viceversa, quando la stratosfera polare si riscalda, il gradiente termico si riduce e i venti occidentali tendono a indebolirsi. La Figura 4 e la precedente Figura 2 sono quindi due rappresentazioni complementari dello stesso sistema: la prima evidenzia la componente termodinamica e meridionale, la seconda quella zonale.
La persistenza di una stratosfera fredda durante La Niña–wQBO è inoltre coerente con la ridotta incidenza degli SSW nelle simulazioni dello studio. Se il vortice viene meno frequentemente interessato da intensi episodi di convergenza del flusso EP e dalla conseguente decelerazione ondulatoria, il polo stratosferico rimane più freddo e il flusso occidentale più intenso. Questo non significa naturalmente che La Niña o wQBO impediscano gli SSW. Gli SSW sono eventi emergenti da una dinamica complessa e possiedono una componente importante di variabilità interna. La combinazione ENSO–QBO modifica piuttosto lo stato di fondo e quindi la probabilità che un particolare impulso di onde planetarie riesca a perturbare in modo sostanziale il vortice.
La mesosfera calda del pannello 4d non è in contraddizione con la stratosfera fredda sottostante. Al contrario, evidenzia proprio il carattere verticalmente strutturato della circolazione atmosferica. Il trasporto residuo intensificato verso il polo invernale e la subsidenza mesosferica producono riscaldamento adiabatico alle alte latitudini, mentre nella stratosfera la configurazione del vortice rimane compatibile con temperature inferiori alla climatologia. La presenza simultanea di segni termici opposti in stratosfera e mesosfera è quindi una manifestazione del fatto che le differenti regioni verticali dell’atmosfera rispondono al forcing ondulatorio attraverso circuiti di circolazione residua distinti, pur essendo dinamicamente accoppiati.
La Figura 4 assume un significato ancora maggiore se collegata alla Brewer–Dobson circulation. La BDC non determina soltanto la temperatura dinamica della stratosfera, ma esercita un controllo fondamentale sul trasporto di ozono, aerosol, vapore acqueo e numerose altre specie atmosferiche. Butchart sottolinea come le modificazioni della circolazione stratosferica possano influenzare la distribuzione dell’ozono, la vita media delle sostanze ozono-lesive e di alcuni gas serra, nonché lo scambio di massa fra troposfera e stratosfera. Le anomalie RMC osservate nei quattro pannelli non hanno quindi soltanto conseguenze dinamiche: modificando subsidenza, risalita e trasporto meridionale, possono alterare la distribuzione dei traccianti atmosferici e contribuire alla formazione di anomalie chimiche persistenti.
Questo aspetto è particolarmente rilevante nelle regioni polari. Un rafforzamento della subsidenza può trasportare verso quote inferiori aria con caratteristiche chimiche differenti, mentre un indebolimento della circolazione può rallentare tale trasporto. L’ozono stratosferico, ad esempio, presenta una distribuzione fortemente influenzata dalla circolazione meridionale e dal trasporto dinamico. Analogamente, nella mesosfera e nella bassa termosfera possono verificarsi variazioni nel trasporto verticale e meridionale di specie minoritarie. Gli “extreme teleconnection patterns” identificati dagli autori nei casi El Niño–eQBO e La Niña–wQBO possono quindi produrre non soltanto anomalie opposte nella temperatura e nei venti, ma anche condizioni di trasporto significativamente differenti.
La significatività statistica deve tuttavia rimanere centrale nell’interpretazione. Le aree grigie tratteggiate ricordano che parte delle strutture presenti nei campi simulati non è sufficientemente robusta da superare il test al 95%. In un sistema altamente variabile come la stratosfera invernale, un numero limitato di SSW può modificare sensibilmente la media di un ensemble. Per questo motivo le differenze fra le quattro combinazioni devono essere interpretate soprattutto nelle loro strutture di grande scala e nella coerenza fra vento zonale, temperatura, RMC e frequenza degli eventi stratosferici, piuttosto che attraverso singoli massimi locali.
La letteratura osservativa conferma la necessità di questa cautela. Garfinkel e Hartmann hanno mostrato che ENSO e QBO producono segnali comparabili sulla temperatura polare stratosferica, ma anche che la loro separazione statistica è complicata dalla lunghezza limitata del record osservativo e dalla distribuzione non casuale delle fasi ENSO e QBO nel tempo. Anstey e Shepherd sottolineano analogamente che l’effetto QBO alle alte latitudini varia con il periodo, la stagione e la presenza di altre sorgenti di variabilità. La Figura 4 deve quindi essere considerata come un esperimento dinamico in grado di isolare più chiaramente alcune configurazioni che nell’atmosfera reale si sovrappongono a numerosi altri processi.
Il significato più profondo della figura consiste proprio nella dimostrazione che l’effetto Holton–Tan non può essere ridotto alla semplice idea di una QBO orientale associata a un vortice debole e di una QBO occidentale associata a un vortice forte. Le differenze della RMC evidenziano che la risposta coinvolge una riorganizzazione dell’intera circolazione meridionale dell’atmosfera media. Gli esperimenti WACCM di Garfinkel et al. sono particolarmente rilevanti in questo senso, perché indicano che la risposta della circolazione meridionale associata ai venti della QBO può avere un ruolo maggiore del semplice spostamento della critical line originariamente enfatizzato dal paradigma Holton–Tan. ENSO modifica a sua volta il forcing ondulatorio proveniente dalla troposfera, e il sistema finale nasce quindi dall’interazione tra struttura del vento stratosferico, sorgente delle onde, propagazione verticale, wave drag e risposta della circolazione residua.
Si può così ricostruire una catena dinamica coerente per interpretare l’intera Figura 4. ENSO modifica la convezione tropicale e la circolazione troposferica del Pacifico; queste variazioni alterano la sorgente e la propagazione delle onde di Rossby verso le alte latitudini. La QBO modifica contemporaneamente il vento tropicale e subtropicale, le condizioni di rifrazione delle onde e la circolazione meridionale di fondo. L’interazione delle onde con la stratosfera determina quindi anomalie del wave drag, che riorganizzano la circolazione residua. La RMC produce riscaldamento o raffreddamento adiabatico attraverso subsidenza e risalita, modificando il campo termico. Il campo termico, attraverso il bilancio del vento termico, è a sua volta legato alla forza del vortice polare. Infine, la modificazione dei venti stratosferici altera il filtraggio delle onde di gravità dirette verso la mesosfera, generando una risposta verticale che può essere di segno opposto rispetto a quella stratosferica. Ne emerge un sistema accoppiato nel quale troposfera, stratosfera e mesosfera non possono essere considerate separatamente.
In questa prospettiva, El Niño–eQBO e La Niña–wQBO rappresentano due stati dinamici estremi quasi speculari. La prima combinazione è caratterizzata da un vortice stratosferico debole, una stratosfera polare fortemente riscaldata, una mesosfera relativamente fredda, un trasporto residuo mesosferico più debole e una maggiore presenza di SSW. La seconda presenta invece un vortice intenso, una stratosfera polare fredda, una mesosfera calda, una RMC particolarmente vigorosa e una ridotta frequenza di forti riscaldamenti. El Niño–wQBO e La Niña–eQBO occupano posizioni intermedie, dimostrando che quando le influenze statisticamente associate a ENSO e QBO tendono a contrastarsi, anche la risposta termodinamica dell’atmosfera media assume ampiezza inferiore.
La Figura 4 amplia quindi in modo decisivo ciò che era emerso dall’analisi del vento zonale: ENSO e QBO non modulano semplicemente la velocità del vortice polare, ma modificano l’intera struttura della circolazione atmosferica dal dominio tropicale fino alla mesosfera polare. La risposta osservata è il risultato dell’interazione fra propagazione delle onde planetarie, filtraggio delle onde di gravità, circolazione residua, riscaldamento e raffreddamento adiabatico e memoria degli eventi stratosferici. È proprio questo approccio integrato a spiegare perché una determinata combinazione ENSO–QBO possa produrre contemporaneamente un vortice freddo e forte nella stratosfera e una mesosfera polare calda, mentre una combinazione opposta determina il dipolo inverso. La figura rappresenta pertanto una dimostrazione molto efficace del carattere verticalmente accoppiato dell’atmosfera media e mostra come oscillazioni originatesi nelle regioni tropicali possano, attraverso una successione di processi dinamici, riorganizzare la temperatura, il trasporto di massa e la stabilità del vortice polare fino a quote superiori agli 80 km.
Figura 5 – Evoluzione di febbraio delle anomalie termiche e della circolazione meridionale residua nelle diverse combinazioni ENSO–QBO
La Figura 5 completa in maniera particolarmente significativa il quadro dinamico delineato per gennaio dalla Figura 4, mostrando come le differenti combinazioni tra El Niño–Southern Oscillation e Quasi-Biennial Oscillation modifichino, nel mese di febbraio, sia la distribuzione verticale della temperatura sia la circolazione meridionale residua dell’atmosfera media. Il significato della figura va ben oltre la semplice descrizione di anomalie termiche: essa consente infatti di seguire la risposta integrata della stratosfera, della mesosfera e della bassa termosfera alle perturbazioni del vortice polare e alle variazioni del forcing ondulatorio. Le campiture cromatiche rappresentano le anomalie di temperatura rispetto alla climatologia, mentre i vettori descrivono le anomalie delle componenti meridionale e verticale della Residual Meridional Circulation, rispettivamente V* e W*. La componente verticale è stata moltiplicata per 200 esclusivamente per renderla graficamente leggibile, per cui l’inclinazione delle frecce deve essere interpretata qualitativamente e non come indicazione del reale rapporto tra velocità verticale e orizzontale. Le aree tratteggiate in grigio indicano inoltre le regioni in cui le differenze non risultano statisticamente significative al livello del 95%, un elemento essenziale per evitare di attribuire un significato fisico eccessivo a strutture locali poco robuste.
L’importanza della circolazione meridionale residua deriva dal fatto che essa costituisce, nel formalismo della Transformed Eulerian Mean, una rappresentazione dinamicamente più significativa del trasporto medio rispetto alla semplice circolazione euleriana. La moderna interpretazione della Brewer–Dobson circulation mostra infatti che la circolazione stratosferica globale, caratterizzata da risalita tropicale, movimento verso le medie e alte latitudini e successiva subsidenza extratropicale, è prevalentemente forzata dalla dissipazione delle onde atmosferiche. Le onde planetarie di Rossby, le onde sinottiche e, soprattutto alle quote più elevate, le onde di gravità trasferiscono quantità di moto alla circolazione media e determinano, attraverso il cosiddetto “wave-driven pumping”, una risposta meridionale che modifica simultaneamente il trasporto di massa e il campo termico. Butchart ha sottolineato come questa circolazione controlli una parte sostanziale del bilancio termodinamico stratosferico e contribuisca anche alla distribuzione di ozono, aerosol, vapore acqueo e numerosi altri traccianti. La RMC mostrata nella Figura 5 deve quindi essere interpretata come una componente centrale del meccanismo attraverso il quale le teleconnessioni tropicali riescono a modificare l’atmosfera polare.
Il passaggio da gennaio a febbraio è particolarmente importante perché, nella seconda parte dell’inverno, la risposta atmosferica non rappresenta più soltanto l’effetto contemporaneo dello stato ENSO e della QBO. Essa incorpora progressivamente una vera e propria memoria dinamica degli eventi verificatisi nelle settimane precedenti. Un major sudden stratospheric warming avvenuto in gennaio può lasciare il vortice fortemente indebolito per settimane, mentre un inverno caratterizzato da scarsa attività ondulatoria può permettere alla circolazione polare di mantenere velocità elevate e temperature molto basse per un periodo prolungato. La revisione di Baldwin e collaboratori sugli SSW evidenzia proprio come questi eventi possano produrre modificazioni profonde e persistenti non soltanto nella stratosfera ma anche nella mesosfera e nella bassa termosfera, dove le variazioni del filtraggio delle onde di gravità provocano spesso anomalie termiche di segno opposto rispetto a quelle stratosferiche.
Il pannello 5a, corrispondente alla combinazione El Niño–eQBO, mostra una situazione molto diversa rispetto a quella osservata nel mese precedente. In gennaio questa configurazione rappresentava uno degli stati più estremi dell’intero sistema, caratterizzato da un marcato riscaldamento della stratosfera polare, da un forte raffreddamento mesosferico e da un vortice particolarmente debole, coerentemente con la numerosa presenza di SSW nelle simulazioni. Nel mese di febbraio, invece, le anomalie termiche risultano molto meno organizzate e la circolazione meridionale residua alle medie e alte latitudini appare relativamente vicina alla configurazione climatologica. Non emerge più con la stessa chiarezza il dipolo verticale estremamente intenso caldo-stratosfera/freddo-mesosfera osservato in gennaio. Questo non implica che la combinazione El Niño–eQBO abbia improvvisamente cessato di influenzare la stratosfera, ma indica che la risposta media mensile è stata modificata dalla sequenza temporale degli eventi e dal successivo aggiustamento dinamico dell’atmosfera.
L’attenuazione del segnale polare durante El Niño–eQBO è particolarmente interessante se considerata nel contesto della teleconnessione QBO–vortice. Anstey e Shepherd hanno evidenziato che il cosiddetto effetto Holton–Tan, cioè la tendenza statistica verso un vortice più debole durante eQBO e più forte durante wQBO, non possiede un’intensità costante nel corso dell’inverno. La relazione varia con la quota, con la stagione e con la presenza di altre sorgenti di variabilità interannuale, fra cui proprio ENSO. Inoltre, non è ancora corretto interpretare la QBO come una semplice forzante esterna applicata al vortice: la QBO modifica il vento subtropicale, la circolazione meridionale e le condizioni di propagazione delle onde planetarie, mentre il vortice e le onde modificano a loro volta la risposta extratropicale della QBO.
Nel pannello 5a, tuttavia, permane un segnale significativo nella regione tropicale ed equatoriale superiore, soprattutto fra circa 80 e 110 km, dove è evidente una componente verticale della circolazione. Questo elemento risulta coerente con la natura stessa della QBO, che origina nella stratosfera tropicale attraverso l’interazione fra onde equatoriali e flusso zonale medio e induce una circolazione secondaria meridionale necessaria a mantenere l’equilibrio termodinamico associato alle anomalie del vento. Esperimenti modellistici hanno mostrato che il forcing della QBO può generare celle meridionali che si estendono ben oltre la regione equatoriale e modificano il campo di temperatura e la propagazione delle onde anche a latitudini superiori. La risposta polare può pertanto attenuarsi senza che venga meno l’impronta della QBO nella circolazione tropicale e mesosferica.
Il pannello 5b, relativo a El Niño associato alla wQBO, rappresenta invece uno dei cambiamenti più marcati rispetto al mese di gennaio. La Figura 5 mostra in questa configurazione la più pronunciata attenuazione della RMC di febbraio. La zona di indebolimento è collocata leggermente più in alto rispetto a gennaio e la circolazione presenta una struttura significativamente diversa. Alle alte latitudini compare contemporaneamente un’estesa anomalia negativa della temperatura mesosferica, che raggiunge valori dell’ordine di −8 K, mentre al di sotto, nella stratosfera polare, si sviluppa un’ampia anomalia positiva che localmente può raggiungere valori prossimi a +8/+10 K. Si crea quindi uno spiccato dipolo verticale caldo-stratosfera/freddo-mesosfera, molto più sviluppato rispetto a quello osservato per la stessa combinazione nel mese precedente.
Il comportamento del pannello 5b appare pienamente coerente con la Figura 3, nella quale El Niño–wQBO produceva nel mese di febbraio una delle più intense anomalie negative del vento zonale, fino a circa −12 m/s nella regione del vortice. Il riscaldamento stratosferico, l’indebolimento dei venti occidentali e il raffreddamento della mesosfera devono quindi essere interpretati come manifestazioni complementari della stessa riorganizzazione dinamica. Nella stratosfera polare una maggiore deposizione di quantità di moto da parte delle onde planetarie può decelerare il vortice e contemporaneamente indurre una circolazione residua con subsidenza polare. L’aria discendente viene compressa e riscaldata adiabaticamente, producendo l’anomalia positiva osservata. La forte perturbazione del vento stratosferico modifica poi le condizioni di propagazione delle onde di gravità, alterando il forcing mesosferico e favorendo una risposta termica di segno opposto a quote superiori.
Il raffreddamento mesosferico associato ai forti disturbi stratosferici è un fenomeno ben documentato. Gli SSW modificano radicalmente i venti attraverso i quali le onde di gravità devono propagarsi e quindi cambiano quali componenti dello spettro ondulatorio raggiungono la mesosfera. Dowdy e collaboratori hanno mostrato che i major warmings alterano profondamente la struttura termica e dinamica della mesosfera polare proprio attraverso questo cambiamento delle condizioni di propagazione delle onde di gravità. Studi più recenti confermano che, durante gli SSW, la decelerazione o inversione dei venti occidentali stratosferici può permettere a un diverso spettro di onde di gravità di raggiungere la mesosfera, modificando il gravity-wave drag, la circolazione meridionale e determinando un raffreddamento della mesosfera invernale.
Il comportamento El Niño–wQBO evidenziato dalla Figura 5 è importante anche perché dimostra che la wQBO non determina necessariamente un vortice forte durante ogni fase dell’inverno. La relazione Holton–Tan è statistica e condizionata dallo stato della circolazione. In questo caso la forte risposta di febbraio sembra essere connessa alla combinazione fra forcing ENSO, tempistica dell’attività ondulatoria e sviluppo degli SSW. El Niño modifica infatti la convezione tropicale e la sorgente delle onde di Rossby, alterando la circolazione troposferica del Pacifico settentrionale e l’attività ondulatoria capace di raggiungere la stratosfera. Garfinkel e Hartmann hanno mostrato che le differenti teleconnessioni ENSO possono produrre risposte distinte del vortice e che la modifica delle onde planetarie, in particolare dell’onda zonale 1, costituisce un meccanismo importante attraverso il quale El Niño tende statisticamente a indebolire la circolazione stratosferica polare.
La forte risposta di febbraio nel pannello 5b suggerisce inoltre che il timing costituisca una componente essenziale della teleconnessione. Nel mese di gennaio la stessa combinazione El Niño–wQBO produceva anomalie termiche molto meno intense, mentre in febbraio il dipolo caldo-stratosfera/freddo-mesosfera diventa molto più ampio. Ciò significa che non è sufficiente stabilire quale combinazione ENSO–QBO sia presente: occorre anche considerare in quale fase stagionale il forcing ondulatorio raggiunge la massima efficacia. Il vortice polare evolve durante l’inverno e la sua sensibilità a un impulso di onde planetarie dipende dal proprio stato iniziale, dalla distribuzione verticale del vento e dalla storia degli eventi precedenti.
Il pannello 5c, relativo alla combinazione La Niña–eQBO, mostra una situazione complessivamente più debole. Alle medie e alte latitudini la RMC risulta relativamente vicina alla climatologia e le anomalie termiche non raggiungono l’organizzazione e l’ampiezza osservate nelle configurazioni più estreme. È però evidente una componente verticale nella regione tropicale e nella mesosfera superiore, particolarmente pronunciata rispetto al caso El Niño–eQBO. Questo risultato corrisponde alla descrizione degli autori secondo cui, nel mese di febbraio, durante le fasi eQBO la circolazione residua tende a essere relativamente climatologica alle medie e alte latitudini indipendentemente dallo stato ENSO, mentre le anomalie più significative rimangono concentrate fra circa 80 e 110 km nella fascia tropicale.
La relativa debolezza della risposta polare in La Niña–eQBO può essere interpretata come il risultato di una compensazione fra due influenze che, nel quadro specifico delle simulazioni, tendono a esercitare effetti differenti sulla circolazione. La eQBO è normalmente associata a condizioni più favorevoli all’indebolimento del vortice, mentre La Niña tende nello studio a sostenere una configurazione polare più stabile. Tuttavia, sarebbe improprio considerare queste due influenze come termini semplicemente additivi. Kumar e collaboratori hanno mostrato che ENSO può modificare l’ampiezza della QBO e la sua teleconnessione con il vortice. In particolare, le loro analisi indicano che l’influenza extratropicale della QBO dipende in modo significativo dallo stato ENSO e che La Niña può alterare sia il segnale della QBO tropicale sia la propagazione delle onde planetarie verso le alte latitudini.
Il risultato più netto e persistente dell’intera Figura 5 compare tuttavia nel pannello 5d, relativo alla combinazione La Niña–wQBO. Qui la struttura osservata in febbraio riproduce quasi fedelmente quella già presente nel mese di gennaio. La circolazione meridionale residua mostra un trasporto molto intenso dall’emisfero estivo verso quello invernale nella mesosfera, con frecce fortemente organizzate e una pronunciata componente verso il polo boreale. Alle alte latitudini, approssimativamente tra 60 e 80 km, compare una vasta anomalia termica positiva che raggiunge circa +10 K. Al di sotto, nella stratosfera polare, fra circa 25 e 50 km, si sviluppa invece una forte anomalia negativa della temperatura, localmente prossima a −8/−10 K. Il risultato è un dipolo verticale mesosfera calda–stratosfera fredda che costituisce quasi l’immagine speculare della configurazione El Niño–wQBO.
La persistenza del regime La Niña–wQBO da gennaio a febbraio è particolarmente rilevante perché indica che questa combinazione non produce soltanto un’anomalia temporanea, ma favorisce nelle simulazioni una configurazione dinamica capace di mantenersi per una parte considerevole dell’inverno. Questo è coerente con il risultato della Figura 3, dove La Niña–wQBO produceva ancora in febbraio la massima anomalia positiva del vento zonale, circa +18 m/s. Il vortice rimane quindi forte, la stratosfera polare resta fredda e la mesosfera presenta una pronunciata anomalia calda associata all’intensa circolazione residua.
La stratosfera fredda e il vortice forte sono dinamicamente strettamente collegati. Attraverso il bilancio del vento termico, un forte gradiente meridionale della temperatura sostiene un intenso shear verticale del vento e quindi forti venti occidentali stratosferici. Quando il polo rimane molto freddo rispetto alle latitudini inferiori, il getto della notte polare tende a essere robusto. Al contrario, un forte riscaldamento polare riduce il gradiente termico e accompagna normalmente una decelerazione del vortice. Il pannello 5d mostra quindi il lato termodinamico della stessa configurazione osservata nella Figura 3 attraverso il vento zonale.
Il forte riscaldamento mesosferico del pannello 5d non è in contraddizione con la contemporanea presenza di una stratosfera fredda. La mesosfera invernale è fortemente controllata dalla circolazione residua forzata dalle onde di gravità. In condizioni climatologiche, il drag esercitato dalle onde nella mesosfera contribuisce a mantenere una circolazione globale che comprende moto discendente sopra il polo invernale; la subsidenza riscalda adiabaticamente la mesosfera polare. Quando il trasporto verso l’emisfero invernale si intensifica, come nella configurazione La Niña–wQBO, può quindi formarsi una marcata anomalia positiva della temperatura mesosferica anche se la stratosfera sottostante rimane fredda.
La relativa assenza di forti SSW nella configurazione La Niña–wQBO facilita probabilmente la persistenza di questo regime. In assenza di una significativa inversione dei venti stratosferici, il filtraggio delle onde di gravità rimane più simile allo stato invernale non perturbato e la circolazione mesosferica può continuare a sostenere la subsidenza e il riscaldamento alle alte latitudini. Al contrario, durante un major SSW il cambiamento radicale del vento stratosferico può modificare lo spettro delle onde che raggiunge la mesosfera e produrre il raffreddamento osservato nei pannelli associati ai vortici disturbati. Le analisi di Limpasuvan e collaboratori sugli eventi SSW con stratopausa elevata mostrano proprio come le variazioni coordinate del drag delle onde planetarie e delle onde di gravità controllino la risposta della MLT e la successiva ricostituzione del vortice.
Tomikawa ha inoltre mostrato attraverso un modello ad alta risoluzione che il recupero successivo a un major SSW può svilupparsi in più fasi. Subito dopo il warming, l’attività delle onde planetarie può contribuire al recupero dei venti occidentali nella stratosfera superiore; nelle settimane successive, la presenza persistente di venti anomali nella bassa stratosfera modifica invece la propagazione delle onde di gravità e può spostarne verso l’alto la quota di dissipazione. Ne risultano cambiamenti della subsidenza, la formazione di strati freddi e, in alcuni casi, la ricostituzione della stratopausa a quote molto elevate. Questo meccanismo mostra chiaramente perché la temperatura mesosferica di febbraio possa essere fortemente condizionata da un evento verificatosi diverse settimane prima.
Il contrasto tra i pannelli 5b e 5d è quindi particolarmente rivelatore. In entrambi i casi la QBO è nella fase occidentale, ma modificando ENSO da El Niño a La Niña l’intero assetto dell’atmosfera polare si inverte: con El Niño la stratosfera diventa calda, la mesosfera fredda e la RMC si indebolisce; con La Niña la stratosfera rimane fredda, la mesosfera diventa calda e la circolazione meridionale risulta molto più vigorosa. Il confronto dimostra che l’effetto della QBO non può essere separato dal contesto ENSO. A parità di wQBO, la configurazione delle anomalie troposferiche generate nel Pacifico tropicale modifica profondamente l’attività ondulatoria che interagisce con la stratosfera.
Questo risultato è coerente con gli studi più ampi sulle interazioni QBO–ENSO. Kumar et al. hanno mostrato che ENSO modifica tanto la struttura del vortice quanto la circolazione meridionale media, i jet subtropicali e i pattern ondulatori. Il loro lavoro evidenzia inoltre che l’influenza della QBO sul vortice può essere amplificata o attenuata a seconda dello stato ENSO, fornendo un contesto fisico per comprendere perché le quattro combinazioni mostrate nella Figura 5 non siano semplicemente equivalenti alla somma di due segnali indipendenti.
L’evoluzione di febbraio mette in risalto anche un’importante differenza fra i regimi eQBO e wQBO. Nelle due configurazioni eQBO, pannelli 5a e 5c, la RMC alle medie e alte latitudini risulta relativamente vicina alla climatologia, mentre le anomalie più evidenti tendono a concentrarsi nella mesosfera tropicale e superiore. Nei due casi wQBO, invece, lo stato ENSO produce una netta separazione fra un regime fortemente perturbato, El Niño–wQBO, e un regime persistentemente stabile, La Niña–wQBO. Questa differenza suggerisce che a febbraio la fase ENSO possa acquisire un peso particolarmente importante nella modulazione della risposta associata alla wQBO.
Anche la maggiore estensione spaziale delle anomalie termiche polari in febbraio rispetto a gennaio possiede un significato dinamico. Quando il vortice viene fortemente perturbato, la risposta non rimane confinata al livello in cui si verifica la massima decelerazione del vento. Le anomalie possono estendersi verticalmente e persistere a lungo, coinvolgendo la mesosfera e la bassa termosfera. Baldwin et al. sottolineano che gli SSW generano cambiamenti drastici nella MLT, compresi un raffreddamento delle alte latitudini mesosferiche e importanti inversioni del vento, in larga misura attraverso il cambiamento del gravity-wave drag.
Queste modificazioni hanno inoltre implicazioni per la distribuzione delle specie chimiche atmosferiche. La RMC rappresenta infatti uno dei principali meccanismi di trasporto meridionale e verticale nella stratosfera e nell’atmosfera media. Un’anomalia della subsidenza polare può modificare la distribuzione dell’ozono e trasportare verso quote inferiori aria proveniente da livelli superiori, mentre cambiamenti nella risalita tropicale influenzano l’ingresso e la permanenza di specie chimiche nella stratosfera. La revisione di Butchart evidenzia che la Brewer–Dobson circulation controlla aspetti essenziali della composizione stratosferica, comprese le concentrazioni di ozono e la vita media di numerose sostanze radiativamente e chimicamente attive.
L’estensione delle anomalie fino a 100–120 km suggerisce inoltre che gli effetti delle teleconnessioni ENSO–QBO non debbano essere confinati concettualmente alla sola stratosfera. Studi whole-atmosphere hanno documentato come gli SSW siano in grado di alterare la circolazione meridionale e il forcing delle onde di gravità persino nella termosfera, con raffreddamenti mesosferici e modificazioni termiche a quote molto superiori. Miyoshi e collaboratori hanno mostrato, attraverso simulazioni capaci di risolvere le onde di gravità, che gli SSW possono influenzare fortemente la circolazione generale della termosfera proprio attraverso l’accoppiamento verticale delle onde.
Va comunque mantenuta una distinzione fondamentale fra i risultati specifici del modello MUAM e le relazioni climatologiche generali. La Figura 5 mostra che, in queste simulazioni, La Niña–wQBO favorisce il regime freddo e persistente del vortice, mentre El Niño–wQBO produce in febbraio il massimo indebolimento della RMC e un pronunciato riscaldamento stratosferico. Non è però corretto trasformare queste associazioni in regole deterministiche applicabili a ogni inverno reale. La variabilità del vortice polare è enorme e un singolo episodio di forte attività ondulatoria può modificare radicalmente la circolazione. Anstey e Shepherd hanno sottolineato come persino l’effetto Holton–Tan presenti una rilevante variabilità decadale e stagionale, mentre ENSO interagisce con la QBO e con altre sorgenti di variabilità atmosferica.
Per questa ragione, anche le zone di significatività statistica indicate nella figura assumono un’importanza particolare. Le strutture più robuste devono essere ricercate nei pattern su larga scala e nella loro coerenza con gli altri campi dinamici, piuttosto che nei singoli massimi locali. Nel caso La Niña–wQBO, per esempio, la convergenza delle evidenze è molto forte: Figura 3 mostra un vortice zonale fortemente intensificato, Figura 5 una stratosfera fredda, una mesosfera calda e una RMC vigorosa, mentre il numero limitato di SSW offre una spiegazione dinamica coerente della persistenza del regime. Analogamente, El Niño–wQBO presenta in Figura 3 un vortice indebolito e in Figura 5 una stratosfera calda, una mesosfera fredda e una circolazione residua attenuata. È la concordanza fra più variabili, più che un singolo valore, a fornire il supporto fisico più convincente.
La Figura 5 permette quindi di ricostruire una vera sequenza causale dell’accoppiamento atmosferico. ENSO modifica la convezione tropicale e le sorgenti delle onde di Rossby; la QBO modifica contemporaneamente la struttura verticale del vento e la circolazione meridionale nella stratosfera tropicale; entrambe alterano quindi le condizioni di propagazione delle onde verso le alte latitudini. Il forcing ondulatorio che raggiunge la stratosfera modifica il vortice e induce anomalie della circolazione meridionale residua. La RMC produce a sua volta riscaldamento o raffreddamento adiabatico attraverso subsidenza e risalita. Le modificazioni del vento stratosferico cambiano inoltre il filtro attraverso cui devono propagarsi le onde di gravità, determinando una seconda risposta nella mesosfera e nella bassa termosfera. In seguito a un forte SSW, questa intera configurazione può mantenere una memoria dell’evento per diverse settimane.
Proprio questa memoria rappresenta probabilmente il messaggio scientifico più importante del passaggio dalla Figura 4 alla Figura 5. Il mese di gennaio mostra in maniera relativamente chiara le configurazioni estreme El Niño–eQBO e La Niña–wQBO. A febbraio, invece, il sistema ha accumulato gli effetti degli SSW, degli impulsi di onde planetarie e delle successive fasi di recupero. Per questo El Niño–wQBO, relativamente meno estremo in gennaio, sviluppa in febbraio un forte riscaldamento stratosferico e un ampio raffreddamento mesosferico; contemporaneamente La Niña–wQBO conserva quasi invariata la propria struttura, testimoniando la notevole stabilità del vortice in questo regime simulato.
Nel complesso, la Figura 5 mostra quindi che la risposta della stratosfera polare a ENSO e QBO non può essere descritta attraverso una semplice associazione fra fase tropicale e intensità del vortice. Ciò che viene modulato è un sistema molto più ampio comprendente onde planetarie, onde di gravità, circolazione meridionale residua, temperatura, vento zonale e trasporto atmosferico. Il regime La Niña–wQBO emerge come la configurazione più persistente, con forte trasporto verso il polo invernale nella mesosfera, riscaldamento mesosferico fino a circa +10 K, raffreddamento stratosferico e vortice intenso. El Niño–wQBO mostra invece in febbraio la risposta perturbata più pronunciata, con RMC fortemente attenuata, raffreddamento mesosferico fino a circa −8 K e significativo riscaldamento della stratosfera polare. Le configurazioni eQBO assumono una risposta più vicina alla climatologia alle medie e alte latitudini, pur mantenendo importanti anomalie nella mesosfera tropicale.
La Figura 5 fornisce pertanto una rappresentazione particolarmente efficace del carattere verticalmente accoppiato, non lineare e dotato di memoria dell’atmosfera media. ENSO e QBO non agiscono direttamente come semplici interruttori capaci di produrre un vortice forte o debole; modificano piuttosto lo stato dinamico attraverso il quale le onde atmosferiche propagano e depositano quantità di moto. È questa riorganizzazione dell’interazione onda–flusso medio a determinare le variazioni della RMC, della temperatura e infine della struttura del vortice. L’opposizione fra la stratosfera e la mesosfera osservata nei regimi più estremi rappresenta quindi non una contraddizione, ma una delle manifestazioni più chiare dell’accoppiamento verticale dell’atmosfera terrestre: un cambiamento originato nella troposfera tropicale può modificare il vortice stratosferico, alterare il filtraggio delle onde di gravità e propagare la propria influenza fino alla mesosfera e alla bassa termosfera, lasciando un’impronta che può persistere ben oltre il momento iniziale della perturbazione.
4. Discussione e conclusioni
Lo studio di Ermakova, Koval, Didenko, Fadeev e Sokolov, pubblicato su Atmosphere nel 2025 con il titolo Analyzing Stratospheric Polar Vortex Strength and Persistence Under Different QBO and ENSO Phases: Insights from the Model Study, affronta uno dei problemi più interessanti della dinamica dell’atmosfera media: comprendere come due grandi modalità della variabilità tropicale, la Quasi-Biennial Oscillation e l’El Niño–Southern Oscillation, possano interagire nel modulare il vortice polare stratosferico, la circolazione meridionale residua, la propagazione delle onde atmosferiche e la struttura termica della stratosfera e della mesosfera boreali. Il lavoro, pubblicato in Atmosphere, volume 16, articolo 1371, utilizza quattro ensemble di dieci simulazioni MUAM, corrispondenti alle combinazioni El Niño–eQBO, El Niño–wQBO, La Niña–eQBO e La Niña–wQBO, concentrandosi sui mesi di gennaio e febbraio. Lo studio completo, ad accesso aperto, può essere consultato attraverso il DOI ufficiale: Ermakova et al. (2025) – studio completo su Atmosphere. La documentazione bibliografica conferma che il lavoro è stato pubblicato il 2 dicembre 2025 e che l’analisi riguarda proprio la risposta del vortice polare alle quattro configurazioni ENSO–QBO attraverso vento zonale, temperatura, divergenza del flusso di Eliassen–Palm e Residual Mean Circulation.
L’aspetto scientificamente più significativo del lavoro consiste nel superamento di una visione troppo semplice delle teleconnessioni tropicali–polari. ENSO e QBO non agiscono infatti come due forzanti indipendenti capaci di rafforzare o indebolire direttamente il vortice polare. Esse modificano piuttosto lo stato dinamico nel quale si propagano le onde planetarie, la configurazione dei jet, la circolazione meridionale e quindi la probabilità che il vortice possa essere perturbato. Questo concetto trova una solida base nella letteratura. Kumar, Yoden e Hitchman hanno mostrato, utilizzando quarant’anni di ERA-Interim, che la risposta dell’emisfero boreale alla QBO può svilupparsi attraverso almeno due vie: una via prevalentemente stratosferica, riconducibile al meccanismo Holton–Tan e alla modulazione della propagazione delle onde planetarie, e una via troposferica, attraverso modificazioni della circolazione tropicale e subtropicale e dei subtropical westerly jets. Nel loro studio il vortice tende a essere più intenso durante wQBO e il segnale della QBO sul vortice risulta particolarmente amplificato in presenza di La Niña, un risultato che fornisce un importante supporto indipendente alla configurazione La Niña–wQBO ottenuta con MUAM.
Le simulazioni di Ermakova e collaboratori mostrano infatti che proprio La Niña associata alla wQBO costituisce la configurazione più favorevole, tra quelle analizzate, al mantenimento di un vortice polare intenso, freddo e persistente. In gennaio il vento zonale nella stratosfera delle alte latitudini presenta le anomalie positive maggiori, mentre la stratosfera polare risulta più fredda delle altre configurazioni. Contemporaneamente, nella mesosfera compare un intenso riscaldamento, accompagnato da un rafforzamento del ramo mesosferico della circolazione meridionale residua dall’emisfero estivo verso quello invernale. Questo apparente contrasto, stratosfera fredda e mesosfera calda, non rappresenta una contraddizione. Esso riflette la struttura verticale della risposta atmosferica: il vortice stratosferico forte mantiene un intenso gradiente termico meridionale e forti venti occidentali, mentre nella mesosfera la circolazione residua intensificata produce una maggiore subsidenza alle alte latitudini e quindi riscaldamento adiabatico. Nel lavoro del 2025, La Niña–wQBO è associata anche alla minore incidenza degli SSW all’interno degli ensemble considerati. Questo risultato deve essere letto come proprietà probabilistica dell’esperimento e non come regola secondo cui un SSW sarebbe impossibile in presenza di La Niña e wQBO.
Una configurazione quasi opposta si verifica durante El Niño–eQBO nel mese di gennaio. In questo caso il vortice stratosferico risulta particolarmente debole e caldo, la circolazione meridionale residua nella regione della mesosfera e della bassa termosfera si attenua e sopra il riscaldamento stratosferico compare una marcata anomalia fredda mesosferica. L’elevata frequenza di SSW, compresi eventi maggiori con inversione del vento zonale, spiega gran parte di questa configurazione. Il risultato è coerente con il quadro dinamico generale secondo il quale El Niño può modificare la sorgente e la propagazione delle onde planetarie attraverso le anomalie convettive del Pacifico tropicale, mentre la eQBO può alterare le condizioni di propagazione e rifrazione delle stesse onde nella stratosfera subtropicale. Il vortice viene quindi esposto a un maggiore forcing ondulatorio, con decelerazione dei venti occidentali, aumento della subsidenza stratosferica polare e conseguente riscaldamento adiabatico.
Un precedente lavoro di Ermakova e collaboratori, realizzato ancora mediante MUAM e dati MERRA, aveva già dimostrato che durante El Niño il vento zonale stratosferico alle medio-alte latitudini tende a essere più debole e la regione polare più calda, mentre l’attività dell’onda planetaria stazionaria di numero d’onda 1 risulta maggiore; durante La Niña, invece, emergeva un contributo relativamente maggiore dell’onda 2. Gli autori attribuivano tali differenze alle modificazioni della distribuzione del riscaldamento latente tropicale e, conseguentemente, della circolazione troposferica e dei waveguides attraverso cui le onde planetarie raggiungono la stratosfera. Questa continuità fra gli esperimenti del 2019 e quelli del 2025 è importante, perché suggerisce che le differenze osservate nella forza del vortice non siano semplicemente anomalie isolate del nuovo ensemble, ma risultino coerenti con una linea di ricerca precedente sul ruolo dell’ENSO nella dinamica dell’atmosfera media.
Un elemento particolarmente rilevante delle conclusioni del nuovo studio riguarda tuttavia la forte dipendenza mensile delle teleconnessioni. Nel caso di El Niño, la configurazione maggiormente favorevole al forte indebolimento del vortice cambia infatti fra gennaio e febbraio: in gennaio è El Niño–eQBO a produrre la risposta più estrema, mentre in febbraio il massimo indebolimento della RMC e il vortice più caldo e debole compaiono nella configurazione El Niño–wQBO. Questa evoluzione impedisce di considerare la fase della QBO come un semplice indicatore statico della probabilità di SSW. La risposta della stratosfera dipende dalla fase stagionale e soprattutto dalla storia precedente del vortice. Un major SSW avvenuto alla fine di gennaio può lasciare per diverse settimane venti molto inferiori alla climatologia e una stratosfera polare ancora calda, cosicché l’anomalia osservata in febbraio può rappresentare in parte la memoria dell’evento precedente anziché una risposta immediata alla configurazione ENSO–QBO presente nello stesso mese.
È proprio questa memoria dinamica a spiegare parte della maggiore complessità del confronto con MERRA-2 in febbraio. Gli autori selezionano nove inverni per ciascuna fase delle oscillazioni tropicali e osservano una corrispondenza particolarmente buona fra simulazioni e rianalisi nel mese di gennaio, quando anche i major SSW con inversione del vento risultano più frequenti negli esperimenti, specialmente durante El Niño–eQBO. In febbraio la situazione si complica perché un warming sviluppatosi alla fine di gennaio può lasciare il vortice in una fase di recupero per oltre due settimane. Di conseguenza, un febbraio caratterizzato da wQBO ed El Niño può presentare forti anomalie negative del vento anche se il principale disturbo dinamico è iniziato nel mese precedente. Il risultato mette in evidenza un concetto metodologico molto importante: l’analisi stagionale DJF può nascondere o attenuare differenze che diventano evidenti quando ENSO e QBO vengono studiati su scala mensile.
La necessità di evitare una visione eccessivamente lineare dell’interazione ENSO–QBO trova sostegno anche in studi indipendenti. Ma e collaboratori hanno mostrato nel 2023 che ENSO e QBO possono interagire in maniera non lineare nella determinazione della circolazione invernale del Nord Atlantico. Durante El Niño la teleconnessione QBO tende a coinvolgere maggiormente una via subtropicale attraverso le modificazioni dei jet del Pacifico settentrionale e dell’Atlantico, mentre durante La Niña diviene più evidente una via polare mediata dalle anomalie del vortice stratosferico. Questo significa che la stessa fase della QBO può avere conseguenze extratropicali differenti a seconda dello stato ENSO sul quale agisce. La conclusione del lavoro MUAM secondo cui la fase QBO produce effetti particolarmente pronunciati durante El Niño deve quindi essere inserita in questo quadro più generale di teleconnessioni dipendenti dallo stato atmosferico.
La circolazione meridionale residua riveste un ruolo centrale in questa interpretazione. Essa non deve essere considerata semplicemente come una variabile diagnostica accessoria, perché rappresenta uno dei principali meccanismi mediante i quali il forcing delle onde viene trasformato in variazioni termiche e di trasporto. L’intensificazione della subsidenza polare riscalda dinamicamente l’aria, mentre la riduzione della subsidenza o l’aumento della risalita favoriscono il raffreddamento. Contemporaneamente la RMC controlla il trasporto meridionale di specie chimiche, compreso l’ozono. Un precedente studio degli stessi autori, pubblicato nel 2024, ha mostrato attraverso MERRA-2 e MUAM che le combinazioni ENSO–QBO modificano la circolazione meridionale e il trasporto dell’ozono dai tropici verso le regioni polari. In particolare, lo studio ha evidenziato che la struttura verticale dell’ozono equatoriale e la circolazione secondaria tropicale dipendono dalla fase della QBO, mentre ENSO modifica il carattere del trasporto verso il polo.
Questo collegamento fra dinamica del vortice e ozono rappresenta una delle implicazioni più interessanti delle conclusioni del 2025. Un vortice artico molto forte, freddo e persistente tende a isolare maggiormente l’aria polare dalle masse d’aria relativamente ricche di ozono delle medie latitudini. Temperature estremamente basse nella bassa stratosfera consentono inoltre la formazione delle nubi stratosferiche polari, favorendo l’attivazione eterogenea del cloro che, con il ritorno della radiazione solare, può determinare una rapida distruzione catalitica dell’ozono. Gli inverni caratterizzati da un vortice fortemente disturbato e da SSW precoci presentano invece generalmente condizioni meno favorevoli a una perdita chimica prolungata, perché l’aumento della temperatura riduce la persistenza delle condizioni necessarie all’attivazione del cloro e il maggiore mescolamento favorisce l’ingresso di aria esterna al vortice.
Le osservazioni forniscono esempi molto chiari di questo meccanismo. Manney e Lawrence hanno analizzato l’inverno artico 2015/2016, quando le temperature della bassa stratosfera furono eccezionalmente basse fino a febbraio e consentirono forte attivazione del cloro e perdita di ozono. Il major final warming iniziato all’inizio di marzo interruppe però le condizioni favorevoli alla distruzione chimica e favorì la rapida dispersione dell’aria impoverita di ozono e il mescolamento con aria più ricca proveniente dal bordo del vortice e dalle medie latitudini. Strahan e collaboratori hanno inoltre quantificato la relazione fra forcing dinamico, rifornimento di ozono e perdita chimica, mostrando che gli inverni con un SSW prima della metà di febbraio presentavano, nel periodo da loro analizzato, una perdita chimica significativamente inferiore rispetto agli inverni privi di un warming precoce. Il loro lavoro evidenzia anche che la quantità di ozono osservata in primavera dipende fortemente dal trasporto dinamico, non soltanto dalla chimica locale.
Anche le osservazioni satellitari confermano l’importanza degli SSW per la temperatura e la composizione della stratosfera. L’analisi di Bouillon e collaboratori mediante IASI ha mostrato che durante gli SSW dell’emisfero boreale le anomalie termiche possono propagarsi dall’alta alla bassa stratosfera e che gli eventi producono significative variazioni dell’ozono polare. Gli autori documentano inoltre effetti sulla circolazione troposferica delle medie latitudini e associazioni con episodi di freddo continentale. È tuttavia importante interpretare con cautela il collegamento SSW–ondate di freddo: un SSW non implica automaticamente un’ondata di gelo in una determinata regione. La risposta troposferica dipende dalla capacità dell’anomalia stratosferica di propagarsi verso il basso, dalla configurazione delle onde planetarie e dallo stato della circolazione troposferica. Il valore predittivo è quindi probabilistico.
Questa cautela è particolarmente importante anche quando si considera l’affermazione dello studio MUAM secondo cui, durante El Niño, lo sviluppo degli SSW sarebbe maggiormente favorito dalla eQBO in gennaio e dalla wQBO in febbraio. Tale risultato è uno dei principali esiti dell’esperimento, ma non deve essere trasformato in una climatologia universale. La letteratura più ampia associa frequentemente la QBO orientale a una maggiore vulnerabilità media del vortice attraverso l’effetto Holton–Tan, ma la forza di tale relazione cambia con mese, quota, stato ENSO e configurazione dell’attività ondulatoria. Il valore del lavoro di Ermakova et al. consiste proprio nel mostrare che, una volta separati gennaio e febbraio e introdotta l’interazione con ENSO, il comportamento può diventare notevolmente più articolato rispetto alla regola climatologica media.
La configurazione La Niña–eQBO assume invece un ruolo quasi di riferimento nello studio, poiché produce nei due mesi condizioni complessivamente più vicine alla climatologia dell’atmosfera media e superiore. Le variazioni del trasporto mesosferico sono relativamente modeste, le anomalie termiche rimangono piccole e le variazioni del vento zonale restano entro circa il 10% del valore medio secondo le simulazioni. Questa risposta relativamente debole è scientificamente importante quanto le configurazioni estreme, perché dimostra che due importanti modalità di variabilità climatica possono produrre una risposta limitata quando le loro influenze dinamiche tendono a compensarsi. È quindi errato immaginare che la semplice presenza simultanea di ENSO e QBO debba necessariamente generare una grande anomalia polare.
L’intero esperimento presenta naturalmente alcune limitazioni, che gli stessi autori riconoscono esplicitamente. Gli ensemble comprendono dieci realizzazioni per ciascuna combinazione, mentre la verifica osservativa utilizza un numero relativamente limitato di inverni MERRA-2. Inoltre, il lavoro valuta principalmente le tendenze generali del vento zonale, della temperatura, della RMC e della divergenza del flusso EP mantenendo, per quanto possibile, le altre condizioni costanti. Non viene effettuata un’analisi completa dei gradienti della vorticità potenziale, della geometria dettagliata dei waveguides o dei flussi tridimensionali di attività ondulatoria che precedono ogni singolo SSW. Di conseguenza, le simulazioni individuano condizioni di fondo statisticamente favorevoli o sfavorevoli alla formazione dei warming, ma non costituiscono una spiegazione causale completa di ciascun evento. Questa distinzione è essenziale: ENSO e QBO condizionano l’ambiente nel quale si sviluppano le onde planetarie, mentre l’effettiva nascita di un SSW dipende dalla concreta evoluzione dell’attività ondulatoria e dalla struttura istantanea del vortice.
Proprio per questo, le prospettive indicate dagli autori risultano particolarmente interessanti. Un passo successivo dovrebbe combinare l’analisi del vento zonale e della RMC con quella dei gradienti di vorticità potenziale, del refractive index delle onde di Rossby, dei flussi di attività ondulatoria e delle componenti zonali 1 e 2 delle onde planetarie. Ciò permetterebbe di stabilire non soltanto in quale configurazione ENSO–QBO il vortice tende a essere più debole, ma attraverso quali percorsi dinamici l’attività ondulatoria raggiunge la stratosfera, dove viene rifratta, dove deposita quantità di moto e perché in alcune circostanze riesca a produrre un major SSW mentre in altre determini soltanto un indebolimento temporaneo. L’importanza di questa prospettiva è già suggerita dal lavoro MUAM del 2019, che aveva identificato differenze sistematiche nella risposta delle onde planetarie 1 e 2 fra El Niño e La Niña.
Nel complesso, la principale conclusione che emerge è quindi quella di un vortice polare inserito in un sistema climatico fortemente accoppiato, nel quale la variabilità tropicale modifica progressivamente la circolazione fino alle alte latitudini. ENSO interviene sulle sorgenti troposferiche delle onde e sulla struttura dei jet; la QBO modifica il vento tropicale e subtropicale e quindi il mezzo attraverso cui le onde possono propagarsi; il flusso di Eliassen–Palm descrive il trasferimento della loro attività alla circolazione media; la RMC traduce quel forcing in movimenti meridionali e verticali; la subsidenza e la risalita producono anomalie termiche; il campo termico è legato, attraverso il bilancio del vento termico, all’intensità del vortice; infine, lo stato del vortice influenza nuovamente la propagazione delle onde e il trasporto di ozono. È dunque una rete di retroazioni, non una catena causale unidirezionale.
Il risultato forse più importante dello studio è proprio la dimostrazione che la scala mensile conta. Considerare genericamente un inverno come “El Niño + eQBO” o “La Niña + wQBO” rischia di nascondere evoluzioni sostanzialmente differenti fra gennaio e febbraio. El Niño–eQBO rappresenta la configurazione più perturbata in gennaio, mentre El Niño–wQBO diviene particolarmente favorevole all’indebolimento del vortice in febbraio; La Niña–wQBO mantiene invece una sorprendente coerenza da un mese all’altro, con vortice forte, stratosfera fredda, mesosfera calda e RMC intensificata. Questa dipendenza temporale, unita alla memoria lasciata dagli SSW precedenti, suggerisce che la futura previsione stratosferica possa beneficiare non soltanto della conoscenza delle fasi ENSO e QBO, ma soprattutto della loro combinazione con lo stato iniziale del vortice, con l’attività delle onde planetarie e con la collocazione dell’inverno nel ciclo stagionale. È in questa prospettiva che lo studio di Ermakova e collaboratori offre il contributo più interessante: non propone ENSO e QBO come semplici “predittori” deterministici del vortice polare, ma come componenti di uno stato dinamico complesso attraverso il quale può essere modificata la probabilità di un vortice forte, di un SSW, della successiva risposta troposferica e, infine, dell’evoluzione dell’ozono artico.
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