La circolazione di Brewer–Dobson rappresenta uno dei principali meccanismi attraverso i quali la stratosfera terrestre redistribuisce massa, energia e costituenti chimici tra le regioni tropicali e le medie e alte latitudini. Sebbene venga spesso schematizzata come una grande circolazione meridiana caratterizzata da risalita dell’aria ai Tropici, trasporto verso i poli e successiva discesa nelle regioni extratropicali, la sua natura fisica è molto più complessa. La Brewer–Dobson circulation, o BDC, non deve infatti essere interpretata come una corrente atmosferica autonoma paragonabile alle celle troposferiche di Hadley, ma come la risposta media della stratosfera al trasferimento di quantità di moto operato dalle onde atmosferiche. La moderna teoria della circolazione stratosferica mostra che onde planetarie, onde sinottiche e onde di gravità interagiscono continuamente con il flusso zonale medio, determinando accelerazioni e decelerazioni che devono essere compensate da una circolazione meridiana residua. È proprio questa relazione tra onde e flusso medio a costituire il fondamento dinamico della BDC. La grande sintesi di Butchart del 2014 ha mostrato come il concetto di una circolazione stratosferica “wave-driven” rappresenti ormai il quadro teorico centrale per comprendere il trasporto stratosferico, pur sottolineando che la ripartizione del forcing fra le diverse categorie di onde rimane una delle principali fonti di incertezza nei modelli climatici.

In questo quadro assume particolare rilevanza lo studio pubblicato da ZiXuan Yu, ChunHua Shi, Jian Rao e YueYue Yu nel 2025 su Earth and Planetary Physics, intitolato The stratospheric Brewer–Dobson circulation under different phases of the Stratospheric Polar Vortex Oscillation combined with different phases of the Quasi-Biennial Oscillation. Il lavoro affronta direttamente uno dei problemi più interessanti della dinamica dell’atmosfera media: capire in quale modo la BDC venga modificata quando differenti stati del vortice polare stratosferico boreale si combinano con le opposte fasi della Quasi-Biennial Oscillation, la QBO. Gli autori utilizzano lunghe simulazioni del Whole Atmosphere Community Climate Model versione 5, WACCM5, inizializzate con una climatologia rappresentativa delle condizioni intorno all’anno 2000, e analizzano separatamente il contributo delle onde planetarie e delle onde di gravità alle anomalie della circolazione. Il risultato fondamentale è che le caratteristiche della BDC dipendono non soltanto dall’intensità del vortice polare o dalla fase della QBO considerate singolarmente, ma dall’interazione fra queste due componenti della variabilità stratosferica e dalla conseguente riorganizzazione del forcing ondulatorio.

Per comprendere l’importanza di questo risultato occorre ricordare che la Brewer–Dobson circulation non possiede una struttura uniforme. La letteratura distingue generalmente una componente superficiale, o shallow branch, prevalentemente confinata alla bassa stratosfera, e una componente profonda, o deep branch, che raggiunge la stratosfera media e superiore prima di discendere soprattutto nell’emisfero invernale. Le diverse branche vengono alimentate da categorie differenti di onde. Le onde sinottiche assumono particolare importanza nella bassa stratosfera e contribuiscono alla componente superficiale, mentre le onde planetarie di grande scala esercitano un ruolo dominante sulla branca profonda. Nella mesosfera, invece, il bilancio dinamico cambia ulteriormente e l’azione delle onde di gravità diventa fondamentale. Questa differenziazione verticale significa che qualsiasi variazione della propagazione delle onde può modificare non soltanto l’intensità complessiva della BDC, ma anche la sua struttura verticale, la latitudine alla quale l’aria sale o scende e il tempo necessario affinché le masse d’aria attraversino la stratosfera.

Lo studio di Yu e colleghi fornisce una dimostrazione particolarmente significativa di questa dipendenza. Nelle quattro combinazioni considerate tra stato del vortice polare boreale e fase della QBO, le anomalie della BDC nell’emisfero settentrionale risultano prevalentemente governate dalle onde planetarie. Tuttavia, nella stratosfera superiore le onde di gravità esercitano un’azione di segno opposto e possono contrastare il forcing associato alle onde planetarie con un’intensità che raggiunge approssimativamente la metà di quella prodotta da queste ultime. Non si tratta quindi di un contributo secondario trascurabile: nella stratosfera superiore il risultato finale della circolazione dipende dalla competizione tra differenti sorgenti di forcing ondulatorio.

Le onde planetarie costituiscono il principale collegamento dinamico fra troposfera e stratosfera durante l’inverno. Le grandi strutture orografiche, i contrasti termici fra continenti e oceani e la distribuzione longitudinale dei sistemi meteorologici generano onde di Rossby che possono propagarsi verticalmente quando la struttura del vento zonale crea condizioni favorevoli. Una volta raggiunta la stratosfera, queste onde possono essere assorbite, dissiparsi oppure rompersi, trasferendo quantità di moto al flusso atmosferico medio. Il rallentamento dei venti occidentali che ne deriva deve essere compensato dinamicamente da una circolazione meridiana residua. È da questa relazione che nasce il cosiddetto downward control: ciò che accade alle onde nella stratosfera superiore può influenzare la circolazione residua anche a quote inferiori. Per questo motivo la BDC viene spesso descritta come una gigantesca pompa atmosferica azionata dalle onde.

Il ruolo delle onde di gravità diventa invece progressivamente maggiore salendo di quota. Queste onde possono essere generate dalla convezione, dai sistemi frontali, dai flussi sopra le catene montuose e da diverse forme di instabilità atmosferica. Propagandosi verso regioni caratterizzate da densità progressivamente più bassa, possono aumentare di ampiezza fino a diventare instabili e rompersi. La conseguente deposizione di quantità di moto esercita un’accelerazione sul flusso medio e contribuisce in maniera determinante alla circolazione dell’alta stratosfera e soprattutto della mesosfera. Il risultato di Yu et al., secondo cui le anomalie della BDC associate alle onde di gravità raggiungono circa metà dell’intensità di quelle associate alle onde planetarie nella stratosfera superiore, fornisce quindi un’importante quantificazione della loro rilevanza.

Ancora più marcato è il loro ruolo nella mesosfera. Le simulazioni indicano infatti che le anomalie della circolazione mesosferica risultano prevalentemente guidate dall’attività delle onde di gravità. Quando il vortice polare stratosferico boreale è debole, la circolazione mesosferica tende a indebolirsi; quando il vortice è forte, essa tende invece a intensificarsi. Il risultato sottolinea l’esistenza di una continuità dinamica tra stratosfera e mesosfera: modificare il vortice polare significa modificare il filtro attraverso il quale le onde di gravità riescono a propagarsi, e una variazione di questo filtro può determinare una diversa distribuzione verticale e latitudinale della deposizione di quantità di moto.

All’interno di questo sistema, la QBO agisce come uno dei più importanti regolatori della struttura verticale della circolazione stratosferica. La Quasi-Biennial Oscillation consiste nell’alternanza di regimi di venti zonali orientali e occidentali nella stratosfera equatoriale, i quali si formano alle quote superiori e si propagano progressivamente verso il basso. La QBO è essa stessa un fenomeno prodotto dall’interazione tra onde equatoriali, onde di gravità e flusso zonale medio. Ciò significa che essa non costituisce un forcing esterno della stratosfera, ma una manifestazione della stessa dinamica onda–flusso che governa buona parte dell’atmosfera media.

L’aspetto innovativo dello studio di Yu et al. consiste nel mostrare che la QBO non determina semplicemente un rafforzamento o un indebolimento della Brewer–Dobson circulation. La QBO modifica soprattutto la posizione verticale delle anomalie. Durante la fase occidentale, WQBO, il centro dell’anomalia del ramo discendente della BDC nell’emisfero settentrionale tende a trovarsi nella stratosfera superiore. Durante la fase orientale, EQBO, il massimo della stessa anomalia si sposta invece verso la stratosfera inferiore.

Questa distinzione è molto importante dal punto di vista climatologico. Due configurazioni della BDC potrebbero infatti mostrare un trasporto meridionale integrato apparentemente simile, ma possedere una distribuzione verticale profondamente differente. Se la massima anomalia di subsidenza si sviluppa nella stratosfera superiore, gli effetti sulla temperatura, sui traccianti chimici e sull’età dell’aria non saranno necessariamente gli stessi di quelli prodotti da un’anomalia concentrata nella bassa stratosfera. La QBO deve quindi essere considerata non soltanto un modulatore dell’intensità della circolazione, ma un vero e proprio regolatore della sua geometria verticale.

Questo comportamento è coerente con quanto sappiamo dell’influenza della QBO sulla propagazione delle onde planetarie. Le fasce alternate di vento orientale e occidentale modificano le condizioni attraverso le quali le onde di Rossby possono propagarsi dalla troposfera verso la stratosfera. Variando il vento zonale e il gradiente meridionale della vorticità potenziale, la QBO altera l’indice di rifrazione delle onde e modifica la posizione delle superfici critiche. Una perturbazione nata ai Tropici può quindi influenzare indirettamente la quantità di attività ondulatoria che raggiunge la stratosfera extratropicale.

È in questo contesto che si inserisce il celebre effetto Holton–Tan, una delle teleconnessioni stratosferiche più studiate. Le osservazioni e numerosi esperimenti modellistici hanno evidenziato una relazione statistica tra la fase della QBO equatoriale e l’intensità del vortice polare stratosferico invernale dell’emisfero settentrionale. In termini climatologici, la fase orientale della QBO nella bassa stratosfera viene più frequentemente associata a un vortice boreale relativamente più debole e caldo, mentre la fase occidentale tende a essere associata a un vortice più intenso e freddo. Anstey e Shepherd hanno tuttavia sottolineato che questa relazione non è deterministica: la sua intensità varia nel tempo e può essere modulata da ENSO, ciclo solare e altre sorgenti di variabilità atmosferica.

Gli studi sui meccanismi dell’effetto Holton–Tan indicano che una parte importante del collegamento deriva proprio dalla modificazione della propagazione e del breaking delle onde planetarie. Lu e collaboratori hanno mostrato come variazioni della circolazione stratosferica e dell’accoppiamento stratosfera–troposfera possano modificare sensibilmente la relazione QBO–vortice, confermando che il collegamento non deve essere interpretato come una semplice risposta lineare del vortice al vento equatoriale. La posizione verticale della QBO, la stagione e lo stato dinamico preesistente della stratosfera sono tutti elementi determinanti.

Il risultato ottenuto da Yu et al. può dunque essere interpretato come un’estensione di questa concezione: se la QBO modifica le condizioni di propagazione delle onde, e se sono proprio le onde a guidare la Brewer–Dobson circulation, allora la QBO deve inevitabilmente modificare anche la struttura della BDC. Lo studio mostra però che la risposta assume caratteristiche diverse a seconda dello stato contemporaneo del vortice polare. Si crea pertanto una catena dinamica nella quale QBO, propagazione ondulatoria, vortice polare e circolazione meridiana residua non rappresentano fenomeni separati, bensì differenti componenti dello stesso sistema.

Particolarmente interessante risulta la risposta dell’emisfero australe. Durante la WQBO le anomalie della BDC nell’emisfero meridionale tendono a mostrare variazioni sincronizzate con quelle dell’emisfero settentrionale. Durante la EQBO, invece, emerge un comportamento in opposizione di fase: quando la circolazione presenta un’anomalia di un determinato segno nell’emisfero settentrionale, nell’emisfero meridionale tende a comparire un’anomalia di segno opposto. Inoltre, l’influenza della QBO sulla BDC subpolare australe risulta più pronunciata quando il vortice polare stratosferico boreale è forte rispetto alle condizioni caratterizzate da un vortice debole.

Questo risultato mette in evidenza il carattere globale della Brewer–Dobson circulation. È infatti fuorviante immaginare i due emisferi come sistemi completamente indipendenti. La risalita tropicale costituisce una regione di collegamento attraverso la quale le variazioni del forcing ondulatorio di un emisfero possono modificare l’intera circolazione residua. Una variazione della discesa alle alte latitudini deve essere accompagnata da una riorganizzazione del trasporto di massa in altre regioni della stratosfera. La QBO, sviluppandosi proprio alle latitudini equatoriali, occupa una posizione privilegiata per modulare questa connessione interemisferica.

Le implicazioni non riguardano soltanto la dinamica atmosferica. La BDC controlla in maniera sostanziale la distribuzione dell’ozono, del vapore acqueo e di numerosi traccianti stratosferici. L’aria che attraversa la tropopausa tropicale viene progressivamente trasportata verso quote più elevate e verso le medie e alte latitudini, mentre masse d’aria più vecchie discendono nelle regioni extratropicali. La velocità di questo processo determina la cosiddetta “age of air”, l’età media dell’aria stratosferica, e influenza i tempi di permanenza delle sostanze chimiche nella stratosfera. Butchart ha evidenziato come eventuali modificazioni della BDC possano avere conseguenze sulla distribuzione dell’ozono, sulla durata di vita di alcune sostanze ozono-lesive e sullo scambio di massa tra stratosfera e troposfera.

La modulazione della posizione verticale del ramo discendente da parte della QBO assume quindi una rilevanza chimico-climatica significativa. Una subsidenza più intensa nella stratosfera superiore può trasportare verso quote inferiori aria caratterizzata da concentrazioni differenti di ozono e altri traccianti rispetto a una configurazione nella quale la massima anomalia si sviluppa nella bassa stratosfera. Analogamente, variazioni della risalita tropicale influenzano la temperatura della tropopausa tropicale e il quantitativo di vapore acqueo che riesce a entrare nella stratosfera.

Proprio su quest’ultimo aspetto sono particolarmente importanti le recentissime osservazioni pubblicate nel 2026 da Brehon, Tegtmeier, Bourassa e collaboratori. Utilizzando il “tape recorder” del vapore acqueo osservato dai satelliti MLS e dal dataset SWOOSH, gli autori hanno ricostruito il trasporto verticale nella stratosfera tropicale e confrontato le stime con le velocità residue derivate dalle reanalisi ERA5, JRA-3Q e MERRA-2. Le velocità effettive di risalita ottenute per il settore compreso approssimativamente fra 73 e 28 hPa risultano comprese tra circa 0,21 e 0,33 mm/s e mostrano un buon accordo con le moderne reanalisi atmosferiche.

L’elemento particolarmente rilevante per il lavoro di Yu et al. è che Brehon e colleghi identificano proprio la QBO come uno dei principali responsabili della variabilità interannuale della risalita tropicale nella stratosfera media. Il segnale ENSO assume maggiore importanza vicino alla tropopausa, mentre salendo di quota il contributo della QBO diventa dominante. Gli autori individuano inoltre segnali associati alle anomalie della QBO del 2015–2016 e del 2019–2020. Si tratta di un collegamento particolarmente interessante tra modellistica e osservazioni: mentre Yu et al. mostrano attraverso WACCM5 come la QBO possa riorganizzare verticalmente la circolazione residua e l’interazione tra onde planetarie e onde di gravità, le osservazioni satellitari confermano indipendentemente che la QBO lascia effettivamente una firma importante sulla variabilità dell’upwelling tropicale.

Questa convergenza fra differenti approcci rafforza l’idea che la variabilità della BDC non possa essere compresa utilizzando un unico indice globale della sua intensità. Occorre invece distinguere tra risalita tropicale, trasporto meridionale, ramo discendente, componente superficiale e profonda e differenti intervalli verticali. È inoltre necessario considerare separatamente le diverse sorgenti di forcing ondulatorio. Nella bassa stratosfera possono dominare determinati contributi sinottici, nella stratosfera media e superiore assumono maggiore importanza le onde planetarie e, avvicinandosi alla mesosfera, le onde di gravità diventano progressivamente decisive.

Il ruolo del vortice polare aggiunge un ulteriore livello di complessità. Un vortice forte è caratterizzato da intensi venti zonali occidentali e da una struttura termica relativamente fredda nella regione polare. Un vortice debole è invece frequentemente associato a una maggiore attività ondulatoria, a temperature polari superiori e a venti zonali ridotti. Tuttavia, vortice e attività ondulatoria non possono essere separati in un semplice rapporto causa-effetto: le onde modificano il vortice depositando quantità di moto, ma lo stato del vortice determina a sua volta la capacità delle onde di propagarsi. Il risultato è un sistema fortemente non lineare nel quale forcing e risposta si condizionano reciprocamente.

Questa caratteristica aiuta a comprendere perché la QBO non produca ogni inverno la stessa risposta polare. La fase equatoriale fornisce una condizione di fondo favorevole o sfavorevole a determinati percorsi di propagazione ondulatoria, ma il risultato effettivo dipende anche dallo stato della troposfera, dall’attività delle onde planetarie, da ENSO e da altre sorgenti di variabilità. Per questa ragione l’effetto Holton–Tan deve essere interpretato statisticamente e non come una regola deterministica secondo la quale una determinata fase della QBO conduca necessariamente a un preciso stato del vortice.

Le implicazioni per la prevedibilità atmosferica sono notevoli. La QBO è relativamente prevedibile rispetto alla variabilità meteorologica troposferica, soprattutto con alcuni mesi di anticipo. Se la sua fase contribuisce a modificare sistematicamente la posizione verticale delle anomalie della BDC, l’attività ondulatoria e il vortice polare, una corretta rappresentazione della QBO nei modelli stagionali può fornire una fonte supplementare di prevedibilità. Non significa che la QBO determini direttamente il tempo meteorologico alle medie latitudini, ma che essa può modificare lo stato probabilistico della stratosfera, la quale può a sua volta interagire con la troposfera durante l’inverno.

Lo studio di Yu et al. deve comunque essere interpretato tenendo presenti alcune importanti limitazioni. I risultati sono ottenuti attraverso lunghe simulazioni WACCM5 costruite attorno a una climatologia rappresentativa dell’anno 2000. Tale configurazione è particolarmente utile per isolare i meccanismi dinamici e ottenere campioni statistici molto più ampi di quelli disponibili dalle sole osservazioni, ma non rappresenta esattamente la successione reale degli eventi atmosferici verificatisi negli ultimi decenni. Inoltre, l’intensità delle onde di gravità nei modelli dipende in parte dalle parametrizzazioni utilizzate per rappresentare processi che non possono essere completamente risolti dalla griglia numerica. Questi aspetti sono importanti soprattutto quando si cerca di quantificare con precisione la ripartizione del forcing della BDC tra differenti famiglie di onde.

Ciononostante, il valore scientifico del lavoro è considerevole perché fornisce una rappresentazione coerente di processi che spesso vengono studiati separatamente. La Brewer–Dobson circulation, la QBO e il vortice polare stratosferico appartengono allo stesso sistema dinamico. Le onde planetarie provenienti dalla troposfera modificano il vortice e guidano buona parte della circolazione stratosferica; la QBO altera le condizioni di propagazione di queste onde e sposta verticalmente la risposta della BDC; le onde di gravità compensano una frazione significativa del forcing planetario nella stratosfera superiore e diventano dominanti nella mesosfera; il vortice polare modifica a sua volta il filtro attraverso il quale le onde riescono a propagarsi.

La visione che emerge è quindi quella di una stratosfera molto più dinamica e interconnessa di quanto suggerirebbe una semplice rappresentazione climatologica della Brewer–Dobson circulation. La BDC non possiede una velocità o un’intensità invariabile, né una struttura geometrica sempre uguale. Essa respira, per così dire, insieme alla variabilità dell’atmosfera: accelera e rallenta, modifica la posizione delle proprie branche, redistribuisce diversamente massa e traccianti e risponde alle continue variazioni della propagazione ondulatoria.

Uno dei risultati più significativi di Yu et al. è proprio la dimostrazione che la QBO può controllare la quota alla quale si concentra il massimo della subsidenza anomala nell’emisfero settentrionale. Durante la WQBO tale centro tende a trovarsi più in alto; durante la EQBO si sposta verso la stratosfera inferiore. Contemporaneamente, l’anomalia del ramo discendente boreale risulta più evidente durante la WQBO, mentre il ramo ascendente dell’emisfero meridionale mostra anomalie maggiormente pronunciate durante la EQBO. Queste differenze confermano che parlare genericamente di una BDC “forte” o “debole” può essere riduttivo. Per comprendere realmente lo stato della circolazione occorre specificare dove avvengono le modificazioni, a quale quota, in quale emisfero e attraverso quale forcing ondulatorio.

Anche il confronto con il recente lavoro osservativo di Brehon et al. rafforza questa conclusione. Le loro ricostruzioni mostrano che la variabilità interannuale della risalita tropicale nella stratosfera media è fortemente associata alla QBO e che l’upwelling osservato attraverso il tape recorder del vapore acqueo è coerente, nelle sue caratteristiche fondamentali, con quello derivato dalle moderne reanalisi. Modellistica dinamica e osservazioni dei traccianti stanno quindi convergendo verso una visione nella quale la QBO rappresenta uno degli elementi centrali della variabilità della BDC.

Nel complesso, lo studio di Yu, Shi, Rao e Yu del 2025 aggiunge un tassello importante alla comprensione della dinamica stratosferica contemporanea. Esso mostra che le anomalie della Brewer–Dobson circulation nell’emisfero settentrionale sono principalmente determinate dalle onde planetarie, ma evidenzia al tempo stesso che il contributo contrario delle onde di gravità può raggiungere circa la metà del forcing planetario nella stratosfera superiore. Dimostra inoltre che la QBO controlla la distribuzione verticale delle anomalie del ramo discendente e che la risposta dell’emisfero australe dipende fortemente dalla combinazione tra fase della QBO e stato del vortice polare boreale. Nella mesosfera, infine, il controllo passa prevalentemente alle onde di gravità.

La Brewer–Dobson circulation appare così non come un semplice nastro trasportatore atmosferico, ma come il risultato macroscopico di una complessa rete di interazioni tra onde, venti zonali, vortici polari e oscillazioni tropicali. Comprendere queste interazioni significa migliorare la nostra conoscenza della variabilità dell’ozono, del vapore acqueo stratosferico, dell’età dell’aria, della circolazione dell’atmosfera media e dell’accoppiamento tra stratosfera e troposfera. Significa inoltre comprendere meglio come segnali originati nella stratosfera tropicale possano propagare la propria influenza fino alle regioni polari e, viceversa, come l’attività ondulatoria generata nella troposfera extratropicale possa modificare la circolazione globale della stratosfera. È proprio questa interdipendenza, evidenziata con particolare chiarezza dal lavoro di Yu et al., a rendere la Brewer–Dobson circulation uno degli elementi più affascinanti e scientificamente rilevanti del sistema climatico terrestre.

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Studio principale: Yu, Z. X., Shi, C. H., Rao, J. & Yu, Y. Y. (2025), The stratospheric Brewer–Dobson circulation under different phases of the Stratospheric Polar Vortex Oscillation combined with different phases of the Quasi-Biennial Oscillation, Earth and Planetary Physics, 9(5), 1073–1086. Articolo originale e testo completo

Approfondimento osservativo recente: Brehon, M. et al. (2026), Tropical stratospheric upwelling as seen in observations of the tape recorder signal, Atmospheric Chemistry and Physics, 26, 3743–3764. Studio sulla risalita tropicale della BDC

1. Introduzione

La circolazione di Brewer–Dobson (Brewer–Dobson Circulation, BDC) costituisce uno degli elementi fondamentali della dinamica della media atmosfera e rappresenta il principale sistema attraverso il quale masse d’aria, energia e costituenti chimici vengono redistribuiti su scala globale all’interno della stratosfera. Nella sua rappresentazione climatologica più semplice, essa comprende una risalita dell’aria nelle regioni tropicali, un successivo trasporto verso le medie e alte latitudini e una discesa prevalentemente nelle regioni extratropicali e polari. Questa descrizione meridiana, tuttavia, costituisce soltanto una rappresentazione schematica di un sistema dinamicamente assai più complesso, poiché la BDC non è una circolazione termicamente diretta indipendente, ma deriva in larga misura dall’interazione tra le onde atmosferiche e il flusso zonale medio. La moderna interpretazione della circolazione stratosferica, sviluppata attraverso la teoria dell’interazione onda–flusso medio e la formulazione della circolazione residua, considera infatti la BDC come la risposta dell’atmosfera al trasferimento di quantità di moto associato alla propagazione, dissipazione e rottura delle onde. La grande revisione di Butchart ha sottolineato come la BDC sia un fenomeno autenticamente globale e come essa contribuisca a controllare il bilancio termodinamico della stratosfera, il trasporto dell’ozono e di altri traccianti, l’ingresso del vapore acqueo nella stratosfera, l’età dell’aria stratosferica e persino alcune caratteristiche della Quasi-Biennial Oscillation.

L’importanza climatica della BDC deriva precisamente da questa capacità di collegare regioni atmosferiche molto distanti. L’aria relativamente giovane che attraversa la tropopausa tropicale viene trasportata lentamente verso quote maggiori e verso le latitudini extratropicali; durante questo percorso subisce trasformazioni chimiche e radiative, prima di ritornare verso quote inferiori alle medie e alte latitudini. Tale movimento contribuisce a spiegare alcune caratteristiche fondamentali della distribuzione atmosferica dell’ozono e del vapore acqueo che, già nei lavori pionieristici di Brewer e Dobson, suggerirono l’esistenza di una circolazione globale nella stratosfera. La teoria dinamica sviluppata successivamente ha mostrato che questa circolazione non può essere compresa prescindendo dalle onde atmosferiche: sono infatti principalmente le onde che, trasferendo quantità di moto al flusso medio, costringono l’atmosfera a sviluppare una circolazione meridiana residua capace di compensare il forcing dinamico. In tal senso, la BDC rappresenta un esempio paradigmatico di come processi ondulatori relativamente piccoli rispetto alla scala planetaria possano organizzare la circolazione media dell’intera stratosfera.

La struttura della Brewer–Dobson circulation non è però uniforme né verticalmente né latitudinalmente. Gli studi basati sulle traiettorie della circolazione residua e sui tempi di transito hanno evidenziato l’esistenza di differenti branche dinamiche. Birner e Bönisch hanno mostrato una netta separazione tra una componente relativamente superficiale, caratterizzata da tempi di transito più brevi e da un collegamento più diretto tra Tropici e bassa stratosfera extratropicale, e una componente profonda, associata a traiettorie che penetrano maggiormente nella stratosfera media e superiore prima di raggiungere le alte latitudini. Questa distinzione ha importanti conseguenze fisiche: le branche superficiali e profonde della BDC non rispondono necessariamente nello stesso modo alle variazioni dell’attività ondulatoria, né vengono forzate dalle medesime categorie di onde.

La branca profonda, particolarmente sviluppata nella stratosfera media e superiore dell’emisfero invernale, è sostenuta principalmente dalla propagazione e dissipazione delle onde planetarie di Rossby, mentre le branche superficiali della bassa stratosfera sono maggiormente influenzate dalle onde a scala sinottica e, in alcune regioni, dal contributo delle onde di gravità. Sato e Hirano, utilizzando quattro moderne rianalisi atmosferiche, hanno confermato che le onde di Rossby esercitano il controllo principale sulla componente più profonda della circolazione, ma hanno anche mostrato che il contributo potenziale delle onde di gravità non è affatto trascurabile. In particolare, queste ultime risultano importanti nel determinare l’estensione verso le alte latitudini della circolazione e la posizione della cosiddetta turn-around latitude, ossia della regione nella quale il movimento meridiano residuo cambia caratteristiche. Questo risultato ha progressivamente modificato l’immagine tradizionale di una BDC quasi esclusivamente governata dalle onde planetarie, facendo emergere un quadro nel quale diverse categorie di onde contribuiscono in modo differente a seconda della quota, della stagione e della latitudine.

Le onde di Rossby planetarie svolgono un ruolo particolarmente importante durante l’inverno. Esse possono essere generate dalla presenza delle grandi catene montuose, dalla distribuzione asimmetrica di continenti e oceani, dai contrasti termici e dalla variabilità meteorologica troposferica. In presenza di venti zonali favorevoli, queste perturbazioni possono propagarsi dalla troposfera alla stratosfera. Una volta raggiunte le quote stratosferiche, possono dissiparsi o andare incontro a rottura, trasferendo quantità di moto al flusso medio. Tale trasferimento modifica i venti zonali e induce una risposta della circolazione meridiana residua. La stratosfera invernale è quindi profondamente dipendente dalla quantità e dalle caratteristiche dell’attività ondulatoria proveniente dal basso, tanto che una parte considerevole della variabilità del vortice polare può essere ricondotta proprio alle fluttuazioni del forcing delle onde planetarie. La moderna revisione della dinamica stratosferica di Butchart sottolinea come gran parte della variabilità intrastagionale e interannuale dell’atmosfera media sia prodotta da onde originarie della troposfera e dalle successive interazioni con il flusso medio.

Le onde di gravità, pur possedendo scale spaziali generalmente inferiori rispetto alle onde planetarie, rappresentano un’altra componente indispensabile del bilancio dinamico dell’atmosfera media. Esse possono essere generate dal flusso sopra l’orografia, dalla convezione profonda, dai sistemi frontali, dalle correnti a getto e da diverse forme di instabilità. Propagandosi verso l’alto, attraversano un’atmosfera caratterizzata da densità rapidamente decrescente; la loro ampiezza può pertanto aumentare fino al raggiungimento di condizioni di instabilità e rottura. Quando ciò avviene, la quantità di moto trasportata verticalmente viene depositata nel flusso medio, producendo un gravity-wave dragcapace di modificare significativamente vento e circolazione residua. Il contributo delle onde di gravità diventa particolarmente rilevante nella stratosfera superiore e nella mesosfera, dove esse rappresentano uno dei principali meccanismi responsabili del mantenimento della circolazione meridiana che procede dal polo estivo verso quello invernale.

Sato e Hirano hanno dimostrato che, sebbene il contributo delle onde di gravità al flusso di massa tropicale ascendente possa essere mediamente inferiore a quello delle onde risolte, il loro ruolo nella geometria complessiva della BDC è sostanziale. Studi successivi hanno ulteriormente distinto il contributo delle onde di gravità orografiche da quello delle onde convettive, mostrando che queste ultime possono contribuire alla branca superficiale della BDC in tutte le stagioni, mentre le onde di gravità orografiche possono influenzare sia la componente superficiale sia quella profonda, con una forte dipendenza stagionale dalla possibilità delle onde di raggiungere la stratosfera. Ne consegue che l’attività delle onde di gravità non può essere rappresentata semplicemente come una correzione marginale al forcing delle onde planetarie, soprattutto quando vengono analizzate la stratosfera superiore e la mesosfera.

Anche la struttura del flusso atmosferico di fondo è determinante. La propagazione verticale di qualsiasi onda dipende infatti dalle caratteristiche del vento attraverso il quale essa si muove. Modificazioni della corrente a getto subtropicale, del vento zonale stratosferico o del vortice polare possono spostare le regioni nelle quali le onde raggiungono livelli critici, dissipano energia o rompono. Di conseguenza, variazioni apparentemente remote della circolazione troposferica possono modificare la distribuzione verticale del drag nella stratosfera e nella mesosfera. È proprio attraverso questa dipendenza dal flusso di fondo che i diversi componenti della circolazione atmosferica risultano strettamente accoppiati.

In termini generali, le variazioni dell’attività ondulatoria stratosferica possono essere ricondotte a due categorie di processi. La prima comprende le variazioni della sorgente troposferica delle onde, legate alla convezione tropicale, alla topografia, alla temperatura superficiale del mare, alla distribuzione del ghiaccio marino e della neve, alle configurazioni di blocco atmosferico e alla posizione e intensità delle correnti a getto. La seconda comprende invece i cambiamenti interni alla stratosfera, capaci di modificare l’ambiente attraverso il quale le onde si propagano. Due dei più importanti fenomeni appartenenti a quest’ultima categoria sono la Quasi-Biennial Oscillation e il vortice polare stratosferico. La loro importanza non deriva soltanto dalla considerevole variabilità che essi producono nei venti stratosferici, ma soprattutto dalla capacità di modificare selettivamente la propagazione delle onde.

La Quasi-Biennial Oscillation rappresenta il principale modo di variabilità della stratosfera equatoriale. Essa consiste nell’alternanza di regimi di venti occidentali e orientali che si formano nella stratosfera tropicale superiore e discendono progressivamente con il tempo, con un periodo medio di circa 28 mesi, anche se la durata effettiva di ciascun ciclo presenta una considerevole variabilità. La QBO viene mantenuta dal trasferimento di quantità di moto operato da diverse categorie di onde equatoriali, tra cui onde Kelvin, onde miste Rossby-gravità e un ampio spettro di onde di gravità. La fondamentale revisione di Baldwin et al. ha evidenziato come la QBO costituisca uno degli esempi più chiari di oscillazione del flusso medio generata dalla propagazione e dissipazione selettiva delle onde. Lo stesso lavoro ha inoltre mostrato che, sebbene la QBO abbia origine nelle regioni equatoriali, i suoi effetti dinamici possono estendersi dalla stratosfera tropicale alle alte latitudini e perfino alla mesosfera.

Proprio questa capacità della QBO di influenzare le latitudini extratropicali costituisce uno degli aspetti più importanti per l’interpretazione della Brewer–Dobson circulation. Le fasce alternate di vento orientale e occidentale associate alla QBO modificano infatti l’ambiente di propagazione delle onde planetarie e delle onde di gravità. In altre parole, la QBO funziona come un filtro dinamico che determina quali componenti dello spettro ondulatorio possano propagarsi verso determinate quote e latitudini. Le conseguenze non rimangono confinate all’Equatore: attraverso modificazioni delle superfici critiche, della circolazione secondaria della QBO e della struttura del vento subtropicale, l’oscillazione può influenzare il modo in cui le onde planetarie interagiscono con il vortice polare.

La relazione più nota tra QBO tropicale e vortice polare stratosferico è il cosiddetto effetto Holton–Tan. I lavori pionieristici di Holton e Tan mostrarono che lo stato della circolazione extratropicale invernale varia statisticamente in relazione alla fase della QBO equatoriale. In termini climatologici, durante una QBO orientale nella bassa stratosfera il vortice polare boreale tende a risultare più debole e maggiormente perturbato, mentre durante una QBO occidentale tende mediamente a essere più intenso. La revisione di Anstey e Shepherd ha tuttavia evidenziato come il meccanismo non sia riconducibile a una semplice relazione lineare tra il vento equatoriale e quello polare. L’effetto dipende dalla quota alla quale viene definita la fase della QBO, dal periodo dell’inverno considerato e dall’interazione con altre sorgenti di variabilità, compresi ENSO e il ciclo solare.

Questa complessità è essenziale quando si considera la BDC. La QBO può infatti modificarla attraverso almeno due percorsi dinamici strettamente collegati. Il primo è relativamente diretto: le anomalie dei venti tropicali e subtropicali modificano la propagazione e la dissipazione delle onde e quindi il forcing della circolazione residua. Il secondo passa attraverso il vortice polare: modificando statisticamente la forza e la geometria del vortice, la QBO cambia a sua volta l’ambiente attraverso il quale le onde possono propagarsi. La BDC emerge pertanto come uno degli elementi che collegano la variabilità tropicale ed extratropicale della stratosfera.

Il vortice polare stratosferico boreale costituisce infatti l’altra grande componente dinamica del sistema. Durante l’autunno e l’inverno, il forte raffreddamento radiativo delle regioni polari produce un intenso gradiente termico meridionale che, attraverso l’equilibrio del vento termico, sostiene una robusta circolazione occidentale circumpolare. Questo vortice non rappresenta però una struttura statica. Nell’emisfero settentrionale esso è continuamente perturbato dall’attività delle onde planetarie provenienti dalla troposfera e può subire importanti oscillazioni di intensità, posizione e forma. Butchart ha evidenziato come le fluttuazioni del vortice polare e la QBO rappresentino due delle manifestazioni principali della variabilità su grande scala della stratosfera.

In alcune circostanze il forcing planetario diventa talmente intenso da produrre un improvviso e marcato indebolimento del vortice, dando origine a un riscaldamento stratosferico improvviso, o Sudden Stratospheric Warming. La revisione di Baldwin et al. del 2021 sottolinea che questi eventi derivano dalla rottura di onde planetarie che si propagano dalla troposfera e possono determinare un rapido riscaldamento della regione polare accompagnato da un forte rallentamento, e nei casi maggiori da un’inversione, dei venti occidentali stratosferici. Tali eventi rappresentano la manifestazione più spettacolare dell’interazione tra onde e vortice, ma anche oscillazioni molto meno estreme della forza del BSPV possono avere conseguenze importanti sulla circolazione residua e sulla propagazione delle onde di gravità.

Il legame tra vortice polare e onde di gravità introduce inoltre una connessione verticale con la mesosfera. Lo stato dei venti stratosferici determina infatti quali onde di gravità possano attraversare la stratosfera e raggiungere gli strati superiori. Un cambiamento della forza o della direzione del vento può quindi filtrare selettivamente lo spettro ondulatorio. Le onde capaci di raggiungere la mesosfera depositano successivamente quantità di moto, modificandone la circolazione. In questo senso un’anomalia del vortice polare boreale può propagare i propri effetti sia verso il basso, fino alla troposfera, sia verso l’alto, modificando la dinamica mesosferica. Tale interconnessione verticale rafforza la necessità di considerare l’intera atmosfera media come un sistema accoppiato.

Il principio del downward control fornisce un ulteriore fondamento teorico per questa interpretazione. In un sistema atmosferico forzato dalle onde, il forcing esercitato a quote superiori può contribuire a determinare la circolazione residua a quote inferiori. Di conseguenza, una variazione del drag prodotto dalle onde di gravità nella stratosfera superiore o nella mesosfera non deve essere considerata irrilevante per la BDC stratosferica semplicemente perché avviene molto al di sopra della regione di interesse. Le modificazioni del forcing ondulatorio in alta atmosfera possono essere dinamicamente integrate lungo la colonna e contribuire alla struttura della circolazione residua sottostante. Questa è una delle ragioni per cui una rappresentazione corretta delle onde di gravità nei modelli della media atmosfera è tanto importante.

Tale problema assume particolare rilevanza nei dataset di rianalisi e nei modelli globali. Molte onde di gravità possiedono scale troppo piccole per essere risolte esplicitamente dalla griglia numerica e devono quindi essere rappresentate mediante parametrizzazioni. Sato e Hirano hanno evidenziato come esistano ancora differenze significative tra il forcing potenziale attribuibile alle onde di gravità sulla base del bilancio dinamico e quello direttamente prodotto dalle parametrizzazioni utilizzate nei sistemi di rianalisi. Gli errori possono diventare particolarmente rilevanti quando si cerca di determinare separatamente il contributo delle onde planetarie e quello delle onde di gravità alla BDC.

Il problema è ulteriormente complicato dal fatto che la lunghezza d’onda e le proprietà delle onde di gravità cambiano con la quota. L’utilizzo di filtri basati su numeri d’onda fissi per distinguere onde planetarie e onde di gravità può quindi generare classificazioni imperfette. Inoltre, molte rianalisi hanno storicamente posseduto una risoluzione verticale e un’estensione superiore insufficienti per rappresentare adeguatamente la mesosfera, proprio la regione nella quale il forcing delle onde di gravità diventa dominante. Queste limitazioni metodologiche rendono particolarmente utile l’impiego di modelli della whole atmosphere in grado di estendersi ben oltre la stratopausa e di produrre direttamente informazioni sul drag parametrizzato delle onde di gravità.

È all’interno di questo contesto che si colloca lo studio di Yu, Shi, Rao e Yu del 2025. Gli autori utilizzano simulazioni di lungo periodo del Whole Atmosphere Community Climate Model versione 5, WACCM5, allo scopo di analizzare sistematicamente la Brewer–Dobson circulation sotto differenti combinazioni della fase della QBO e dello stato del vortice polare stratosferico boreale. L’impiego di WACCM5 permette di considerare contemporaneamente stratosfera e mesosfera e, soprattutto, di utilizzare direttamente i campi associati alle onde di gravità prodotti dal modello, riducendo alcune delle ambiguità che caratterizzano gli approcci basati esclusivamente sul filtraggio dei campi risolti.

Questa impostazione è scientificamente importante perché QBO e BSPV non costituiscono due forzanti indipendenti. La QBO modifica il vortice attraverso l’effetto Holton–Tan e la modulazione della propagazione ondulatoria; il vortice modifica a sua volta il filtro imposto alle onde planetarie e alle onde di gravità; le onde alterano la BDC depositando quantità di moto; la BDC modifica temperatura e vento attraverso i moti verticali e meridiani; le modificazioni di vento e temperatura cambiano nuovamente le condizioni di propagazione delle onde. Il sistema presenta dunque una rete di retroazioni dinamiche nella quale distinguere cause ed effetti in modo puramente lineare può essere riduttivo.

Questo quadro consente anche di comprendere perché lo stato della stratosfera abbia implicazioni che vanno al di là della media atmosfera. Gli studi classici di Baldwin e Dunkerton hanno mostrato che forti anomalie del vortice stratosferico possono essere seguite da anomalie persistenti nella troposfera, con configurazioni della pressione atmosferica alla superficie che proiettano sul modo anulare boreale e sull’Oscillazione Artica. La ricerca successiva ha confermato che la stratosfera può fornire una fonte aggiuntiva di prevedibilità su scale temporali subseasonal-to-seasonal. I sistemi previsionali che rappresentano meglio la stratosfera mostrano generalmente una maggiore capacità di prevederne la variabilità, e le teleconnessioni tropicali associate a QBO, ENSO e MJO possono modificare la probabilità di determinati stati del vortice.

È tuttavia essenziale non interpretare queste relazioni in senso deterministico. Una QBO orientale non implica necessariamente un vortice debole, così come un vortice debole non determina automaticamente una specifica configurazione meteorologica alla superficie. Le connessioni riguardano variazioni delle probabilità e dipendono dall’interazione simultanea di numerosi processi. Anche la capacità del vortice di influenzare la troposfera varia considerevolmente da evento a evento. La letteratura più recente insiste quindi sull’opportunità di considerare la stratosfera come una fonte di modulazione della prevedibilità piuttosto che come un semplice meccanismo di controllo unidirezionale del tempo atmosferico. Domeisen e collaboratori hanno mostrato che la corretta rappresentazione della variabilità stratosferica e dell’accoppiamento stratosfera–troposfera costituisce un elemento importante dei sistemi S2S, pur con sostanziali differenze regionali e tra i diversi modelli.

La prospettiva adottata da Yu et al. amplia ulteriormente questa visione perché considera la BDC come il risultato di un’interazione tra variabilità tropicale, vortice extratropicale e differenti sorgenti di forcing ondulatorio. I primi risultati dello studio mostrano infatti che, nelle differenti combinazioni di fase analizzate, la BDC dell’emisfero settentrionale viene principalmente controllata dalle onde planetarie, ma che nella stratosfera superiore il forcing prodotto dalle onde di gravità tende a opporsi a quello planetario con un’intensità che può raggiungere circa la metà di quest’ultimo. Tale risultato sottolinea quanto possa essere incompleta un’analisi della Brewer–Dobson circulation limitata alle sole onde planetarie, soprattutto quando vengono considerate le quote superiori della stratosfera.

Lo studio mostra inoltre che la QBO svolge un ruolo più articolato di una semplice modulazione dell’intensità globale della circolazione. Essa modifica la posizione verticale delle anomalie del ramo discendente della BDC nell’emisfero settentrionale: durante la fase occidentale, il centro dell’anomalia tende a essere collocato più in alto nella stratosfera, mentre durante la fase orientale esso si sposta verso quote inferiori. Questa caratteristica possiede importanti implicazioni fisiche, poiché dimostra che variazioni apparentemente simili dell’intensità complessiva della circolazione possono corrispondere a configurazioni verticali molto differenti. Una BDC caratterizzata da anomalie concentrate nella stratosfera superiore non trasporta necessariamente massa e traccianti nello stesso modo di una circolazione nella quale il massimo delle anomalie è localizzato nella stratosfera inferiore.

La posizione verticale delle anomalie diventa particolarmente rilevante quando si considerano ozono, vapore acqueo, metano e altri costituenti chimici. La QBO stessa è associata a segnali osservabili nella distribuzione di numerosi traccianti, proprio perché la sua circolazione secondaria modifica il trasporto verticale e meridionale. Baldwin et al. hanno evidenziato che gli effetti della QBO non sono confinati ai venti, ma interessano anche ozono, vapore acqueo, metano e diverse specie chimiche a vita più breve. La modulazione della BDC costituisce pertanto uno dei possibili ponti attraverso i quali la variabilità dinamica può tradursi in variabilità della composizione chimica stratosferica.

Ugualmente importante è la dimensione interemisferica. La Brewer–Dobson circulation non può essere suddivisa rigidamente in due sistemi indipendenti, poiché la risalita tropicale e il bilancio globale di massa collegano dinamicamente i due emisferi. Una variazione del forcing ondulatorio nell’emisfero boreale può essere accompagnata da una riorganizzazione del flusso residuo tropicale e australe. La QBO, collocata nella regione equatoriale, rappresenta un meccanismo particolarmente efficace per modulare questo collegamento. I risultati di Yu et al. indicano infatti che la BDC dell’emisfero australe mostra una forte dipendenza dalla fase della QBO e che questa risposta varia anche in funzione dello stato contemporaneo del vortice polare boreale.

Ne emerge una concezione della media atmosfera nella quale tropicale ed extratropicale, stratosfera e mesosfera, onde planetarie e onde di gravità non costituiscono compartimenti separati, bensì componenti di un unico sistema dinamico. La QBO modifica il filtro imposto alle onde e la struttura della circolazione; il vortice polare modifica la propagazione delle onde provenienti dal basso e di quelle dirette verso la mesosfera; la deposizione di quantità di moto da parte delle onde determina la circolazione residua; quest’ultima ridistribuisce massa, temperatura e traccianti e modifica nuovamente il campo di vento attraverso il quale le onde devono propagarsi. È questa interdipendenza a rendere la Brewer–Dobson circulation uno degli esempi più chiari di circolazione atmosferica determinata dall’interazione onda–flusso medio.

La recente evoluzione della ricerca stratosferica rafforza ulteriormente la necessità di una prospettiva integrata. Butchart ha sottolineato nel 2022 che, nonostante gli enormi progressi compiuti nella comprensione della stratosfera, rimangono questioni aperte riguardanti sia i dettagli dell’interazione onda–flusso sia i meccanismi attraverso i quali la variabilità stratosferica comunica con la troposfera. Analogamente, la letteratura sugli SSW dimostra che le perturbazioni del vortice possono avere conseguenze che si estendono contemporaneamente verso il basso, interessando jet stream e storm track, e verso l’alto, modificando mesosfera, termosfera e ionosfera. Lo studio della BDC sotto differenti configurazioni della QBO e del vortice polare permette quindi di affrontare un problema che si inserisce direttamente nella più ampia questione dell’accoppiamento verticale dell’atmosfera.

In tale prospettiva, il lavoro di Yu et al. del 2025 mira a superare alcune limitazioni metodologiche della letteratura precedente attraverso l’utilizzo diretto del forcing delle onde di gravità prodotto da WACCM5 e l’estrazione separata della componente associata alle onde planetarie. L’obiettivo non consiste semplicemente nel descrivere se la Brewer–Dobson circulation sia più forte o più debole durante una determinata fase della QBO o un determinato stato del BSPV, ma nel comprendere quali categorie di onde siano responsabili delle anomalie osservate, come la loro importanza cambi con la quota e in quale modo la combinazione tra QBO e vortice polare modifichi l’intera struttura meridiana della circolazione.

Questa impostazione rappresenta un passo importante verso una comprensione più completa della variabilità della media atmosfera. Se la BDC viene interpretata come una circolazione guidata dalle onde, diventa infatti indispensabile identificare non soltanto l’intensità complessiva del forcing, ma la sua origine, distribuzione verticale e dipendenza dallo stato atmosferico. Le onde planetarie, le onde sinottiche e le onde di gravità agiscono su scale differenti e possono persino produrre contributi di segno opposto. La QBO e il vortice polare modificano continuamente l’ambiente nel quale tali onde si propagano. La struttura osservata della Brewer–Dobson circulation rappresenta quindi il risultato finale di un equilibrio dinamico complesso e variabile nel tempo.

In questo quadro, analizzare congiuntamente le differenti fasi della QBO e le anomalie del vortice polare stratosferico boreale consente di indagare direttamente l’interazione tra due dei principali modi di variabilità della stratosfera. La possibilità di distinguere il contributo delle onde planetarie da quello delle onde di gravità offre inoltre uno strumento essenziale per chiarire perché la BDC possa presentare anomalie diverse nella stratosfera inferiore, media e superiore e perché tali anomalie possano propagarsi fino alla mesosfera. Lo studio di Yu, Shi, Rao e Yu si colloca pertanto in una linea di ricerca che considera sempre più la Brewer–Dobson circulation non come un semplice trasporto climatologico dai Tropici ai poli, ma come l’espressione globale e tridimensionale dell’interazione tra onde, flusso medio, QBO, vortici polari e accoppiamento verticale dell’atmosfera. Una migliore comprensione di questi processi è fondamentale non soltanto per interpretare la variabilità naturale della stratosfera, ma anche per migliorare la rappresentazione del trasporto dei traccianti, della composizione chimica atmosferica e dei meccanismi che collegano la media atmosfera alla variabilità meteorologica e climatica della troposfera.

2. Dati e Metodi – 2.1 Dati

L’analisi della variabilità della circolazione di Brewer–Dobson e della sua risposta alle differenti combinazioni tra Quasi-Biennial Oscillation e vortice polare stratosferico richiede un sistema modellistico capace di rappresentare contemporaneamente la dinamica della troposfera, della stratosfera e della mesosfera, nonché i processi ondulatori che collegano verticalmente queste regioni atmosferiche. Per questo motivo Yu et al. (2025) utilizzano il Whole Atmosphere Community Climate Model versione 5, WACCM5, un modello climatico-chimico globale appartenente alla famiglia del Community Earth System Model e specificamente concepito per estendere la rappresentazione dell’atmosfera ben oltre il limite superiore dei tradizionali modelli climatici “low-top”. Nella configurazione impiegata nello studio, WACCM5 permette di descrivere un dominio che si estende dalla superficie terrestre fino alla bassa termosfera, raggiungendo pressioni dell’ordine di 4,5 × 10⁻⁶ hPa, e include pertanto in maniera esplicita l’intera troposfera, la stratosfera, la mesosfera e una porzione della termosfera inferiore. Gli autori sottolineano proprio questa grande estensione verticale come uno dei principali motivi della scelta del modello, poiché consente di analizzare il contributo delle onde di gravità nelle regioni superiori dell’atmosfera e il loro possibile effetto sulla Brewer–Dobson circulation attraverso i meccanismi di accoppiamento verticale.

WACCM appartiene alla categoria dei modelli high-top, una caratteristica particolarmente importante nello studio della dinamica stratosferica. Nei modelli tradizionali il limite superiore può trovarsi nella stratosfera o poco al di sopra della stratopausa, rendendo necessarie condizioni al contorno che possono condizionare artificialmente la propagazione verticale delle onde. Un modello whole atmosphere, al contrario, estende il proprio dominio molto più in alto, permettendo alle perturbazioni dinamiche di propagarsi dalla troposfera attraverso la stratosfera e la mesosfera prima di incontrare il limite superiore del dominio numerico. Questo aspetto risulta essenziale quando l’obiettivo è studiare la Brewer–Dobson circulation, poiché la teoria del downward control stabilisce che il forcing ondulatorio applicato alle quote superiori può contribuire alla determinazione della circolazione residua sottostante. Una corretta rappresentazione della mesosfera non costituisce quindi semplicemente un’estensione accessoria del modello, ma può modificare la diagnosi della stessa circolazione stratosferica.

Nella sua evoluzione, WACCM è stato sviluppato proprio per coniugare la fisica di un modello climatico globale con una rappresentazione dettagliata della chimica e della dinamica dell’atmosfera media. La letteratura dedicata alle differenti generazioni del modello mostra come WACCM5 rappresenti un importante passaggio rispetto alle configurazioni precedenti: conserva la capacità di simulare l’intera atmosfera media, ma introduce aggiornamenti della fisica basati sul Community Atmosphere Model versione 5 e una maggiore risoluzione verticale rispetto ad alcune versioni antecedenti. La successiva documentazione di WACCM6 descrive WACCM5 come una configurazione con 70 livelli verticali e sottolinea che questa generazione del modello fu sviluppata ponendo particolare enfasi sul miglioramento della dinamica atmosferica, delle parametrizzazioni fisiche e degli schemi relativi alle onde di gravità.

La componente atmosferica di WACCM5 utilizza infatti parametrizzazioni fisiche derivate dal Community Atmosphere Model versione 5, CAM5. Tale collegamento è importante perché permette di mantenere una rappresentazione coerente dei principali processi troposferici e stratosferici all’interno di uno stesso sistema numerico. CAM5 rappresenta processi quali radiazione, convezione, nubi, strato limite e interazioni aerosol–radiazione attraverso schemi fisici specifici, mentre WACCM estende questa struttura verso l’atmosfera media aggiungendo i processi dinamici, radiativi e chimici necessari alle quote stratosferiche, mesosferiche e termosferiche inferiori. Le configurazioni CESM1-WACCM5 descritte nella letteratura includono infatti fisica atmosferica derivata da CAM5, chimica interattiva della media atmosfera e un dominio superiore prossimo a 140 km.

La presenza della chimica atmosferica interattiva costituisce un ulteriore vantaggio metodologico, anche se l’obiettivo principale dello studio di Yu et al. è di natura dinamica. Nella stratosfera, infatti, composizione chimica, radiazione e dinamica non rappresentano processi indipendenti. L’ozono assorbe radiazione ultravioletta e condiziona il bilancio termico stratosferico; la temperatura influenza le reazioni chimiche; la circolazione di Brewer–Dobson ridistribuisce ozono, vapore acqueo, metano e altri traccianti; contemporaneamente, le modificazioni termiche associate alla composizione atmosferica possono alterare i venti zonali e quindi l’ambiente di propagazione delle onde. Un modello chimico-climatico consente pertanto una rappresentazione più fisicamente coerente della media atmosfera rispetto a un modello nel quale i principali costituenti radiativamente attivi siano completamente prescritti. La capacità di WACCM di rappresentare simultaneamente chimica e dinamica è stata sfruttata in numerosi studi dedicati all’ozono, al vapore acqueo stratosferico, agli aerosol e alla variabilità della circolazione atmosferica.

Particolare attenzione deve essere dedicata alla rappresentazione della Quasi-Biennial Oscillation. La QBO è uno dei processi più difficili da simulare correttamente nei modelli di circolazione generale, poiché deriva dall’interazione tra il flusso zonale medio e un ampio spettro di onde equatoriali, comprese onde Kelvin, onde Rossby–gravità e onde di gravità di scala inferiore. La capacità di un modello di generare una QBO realistica dipende fortemente dalla risoluzione verticale, dalla rappresentazione delle onde risolte e dalle parametrizzazioni del gravity-wave drag. Richter, Solomon e Bacmeister hanno mostrato con CAM5 che una rappresentazione realistica della QBO è particolarmente sensibile alla risoluzione verticale e alla quantità di forcing esercitata dalle onde di gravità: aumentando la risoluzione verticale, il modello riesce a rappresentare meglio le onde Kelvin e Rossby–gravità che partecipano al bilancio di momento equatoriale.

Studi successivi condotti con WACCM ad alta risoluzione verticale hanno confermato questa complessità. Garcia e Richter hanno mostrato che sia le onde equatoriali esplicitamente risolte sia le onde di gravità mesoscalari parametrizzate forniscono contributi importanti e comparabili al bilancio di momento della QBO. In particolare, le onde Kelvin contribuiscono in maniera sostanziale all’accelerazione occidentale, mentre onde Rossby–gravità e onde di gravità parametrizzate partecipano alle accelerazioni orientali e occidentali necessarie alla propagazione discendente dell’oscillazione. Questi risultati evidenziano perché la QBO costituisca un test estremamente sensibile della qualità dinamica di un modello della stratosfera.

È tuttavia importante distinguere queste configurazioni dalla specifica impostazione sperimentale utilizzata da Yu et al. Nel loro esperimento, la QBO non viene lasciata interamente libera di evolvere attraverso la sola dinamica interna del modello, ma viene utilizzata una configurazione nella quale il forcing della QBO è prescritto con una periodicità di circa 28 mesi. Tale scelta permette di ottenere un’alternanza regolare dei regimi orientali e occidentali e soprattutto di disporre, lungo l’intera integrazione numerica, di un numero sufficiente di cicli QBO per costruire compositi statisticamente robusti nelle differenti combinazioni con il vortice polare stratosferico. Il valore prossimo a 28 mesi è coerente con la periodicità media osservata della QBO, anche se nell’atmosfera reale la durata dei singoli cicli presenta una sostanziale variabilità. La scelta metodologica degli autori privilegia dunque la possibilità di isolare sistematicamente il segnale della QBO rispetto alla riproduzione della sua completa irregolarità temporale.

Questa distinzione è particolarmente importante perché altre configurazioni di WACCM5 sono state successivamente sviluppate in modo da produrre una QBO generata internamente. Mills et al., per esempio, hanno documentato miglioramenti nella risoluzione, nella dinamica e nella chimica di CESM1-WACCM che permettono al modello di ottenere un’oscillazione equatoriale più realistica senza doverne prescrivere integralmente l’evoluzione temporale. Nel lavoro di Yu et al., tuttavia, l’obiettivo non consiste nel valutare la capacità del modello di generare spontaneamente la QBO, bensì nell’esaminare come differenti fasi dell’oscillazione modifichino la propagazione ondulatoria e la BDC quando vengono combinate con differenti stati del vortice polare. La prescrizione della periodicità può quindi essere considerata una scelta sperimentale finalizzata a rendere più controllato il confronto tra le categorie dinamiche.

Un altro elemento centrale è la rappresentazione delle onde di gravità. Molte onde di gravità atmosferiche possiedono lunghezze d’onda orizzontali e verticali inferiori alla scala risolta dalle griglie utilizzate nei modelli climatici globali e non possono quindi essere simulate esplicitamente in tutta la loro complessità. Il loro effetto sul flusso medio deve essere rappresentato mediante parametrizzazioni che descrivono la generazione, la propagazione verticale, il filtraggio da parte dei venti di fondo, la dissipazione e la conseguente deposizione di quantità di moto. WACCM comprende sia contributi associati alle onde di gravità orografiche sia parametrizzazioni per le onde non orografiche prodotte, tra l’altro, dalla convezione e dai sistemi frontali. Questo costituisce un elemento essenziale per la simulazione dell’atmosfera media, poiché il gravity-wave drag partecipa alla formazione della QBO, al mantenimento della circolazione mesosferica e alla modulazione della Brewer–Dobson circulation.

La necessità di parametrizzare una parte considerevole dello spettro delle onde di gravità rappresenta al tempo stesso uno dei punti di forza e uno dei limiti intrinseci del metodo. Il vantaggio consiste nella possibilità di diagnosticare direttamente il flusso di momento e il drag associati alle onde non risolte, invece di tentare di ricavarli esclusivamente mediante filtri applicati ai campi atmosferici. Questo è precisamente uno degli aspetti sfruttati da Yu et al., che utilizzano direttamente l’output modellistico del flusso delle onde di gravità. Il limite consiste nel fatto che il risultato dipende inevitabilmente dalle assunzioni contenute negli schemi di parametrizzazione: distribuzione delle sorgenti, spettro delle velocità di fase, propagazione verticale, saturazione e dissipazione delle onde. La ricerca recente continua infatti a confrontare il forcing delle onde parametrizzate con le osservazioni per valutarne il realismo. Alexander et al. hanno mostrato, analizzando le onde generate dalla convezione tropicale in WACCM, che le parametrizzazioni riescono a rappresentare caratteristiche fondamentali del forcing ondulatorio, ma che la distribuzione osservata delle onde fornisce vincoli importanti per migliorare ulteriormente tali schemi.

L’importanza di queste parametrizzazioni per la stessa BDC è stata evidenziata direttamente in studi nei quali è stato modificato il gravity-wave drag di WACCM. Garcia et al. hanno mostrato che un aumento del forcing associato alle onde di gravità orografiche può indebolire un vortice polare simulato eccessivamente intenso, accelerare la circolazione di Brewer–Dobson nella stratosfera polare e migliorare contemporaneamente la rappresentazione della temperatura e dell’ozono. Questo risultato dimostra che le onde di gravità non rappresentano soltanto un problema tecnico di parametrizzazione: la loro rappresentazione numerica può modificare quantitativamente la struttura della circolazione stratosferica che costituisce l’oggetto principale dello studio.

L’estensione del dominio modellistico fino alla bassa termosfera diventa particolarmente vantaggiosa proprio in questo contesto. Nella mesosfera l’importanza relativa delle onde planetarie diminuisce, mentre il forcing associato alle onde di gravità diventa progressivamente dominante nel bilancio della quantità di moto. Le onde che riescono ad attraversare la stratosfera vengono selettivamente filtrate dal vento zonale; successivamente, crescendo di ampiezza a causa della diminuzione della densità atmosferica, possono diventare instabili, dissiparsi e depositare quantità di moto nella mesosfera. Una corretta rappresentazione di questa regione è quindi indispensabile per studiare le possibili ripercussioni del forcing mesosferico sulla circolazione sottostante attraverso il downward control. Studi recenti eseguiti con versioni ad alta risoluzione di WACCM-X continuano a dimostrare che la generazione, la propagazione e il filtraggio selettivo delle onde di gravità sono determinanti per la circolazione dell’alta atmosfera, confermando la necessità di considerare l’intera colonna atmosferica quando si analizzano le interazioni onda–flusso medio.

Nello specifico esperimento di Yu et al., il dominio verticale è discretizzato mediante 70 livelli. Gli autori riportano inoltre per la simulazione analizzata una risoluzione orizzontale pari a 2° × 2°. Questo valore deve essere riferito alla configurazione utilizzata nel loro studio: la documentazione generale di CESM1-WACCM5 descrive infatti anche configurazioni standard con 70 livelli e griglia di circa 0,95° × 1,25°, dimostrando che la risoluzione orizzontale può variare in funzione dell’esperimento e della configurazione scelta. Ai fini dell’interpretazione del lavoro è pertanto corretto utilizzare i valori esplicitamente dichiarati dagli autori per il loro esperimento, senza assumere automaticamente la risoluzione nominale delle altre integrazioni WACCM5 presenti in letteratura.

Una risoluzione orizzontale dell’ordine di un paio di gradi è sufficiente a rappresentare la circolazione planetaria su larga scala, le principali onde di Rossby e la struttura climatologica del vortice polare, ma non può risolvere esplicitamente la maggior parte dello spettro delle onde di gravità. Questa separazione delle scale è precisamente il motivo per cui il modello abbina dinamica risolta e parametrizzazioni sub-grid. È importante ricordare che il termine “onda di gravità” nell’output modellistico non implica quindi necessariamente che la singola perturbazione atmosferica sia stata direttamente rappresentata dai punti della griglia. Una componente sostanziale del suo effetto dinamico deriva dalle parametrizzazioni che forniscono diagnostici di flusso di momento e drag. Analogamente, le onde planetarie di grande scala sono invece rappresentate direttamente dalla dinamica risolta e possono essere isolate attraverso l’analisi della struttura zonale dei campi atmosferici.

L’importanza della risoluzione verticale deve essere considerata separatamente da quella orizzontale. La propagazione delle onde e la QBO sono particolarmente sensibili alla discretizzazione verticale perché forti gradienti di vento si sviluppano su intervalli relativamente piccoli di quota. Richter et al. hanno dimostrato che il miglioramento della risoluzione verticale può aumentare significativamente l’energia delle onde equatoriali simulate e favorire una QBO più realistica. Le configurazioni standard WACCM5 a 70 livelli rappresentano un importante miglioramento rispetto a precedenti versioni a minore risoluzione, sebbene studi dedicati specificamente al bilancio della QBO abbiano impiegato versioni da 110 livelli con una spaziatura verticale di circa 500 m nella bassa e media stratosfera per ottenere una rappresentazione ancora più dettagliata delle onde equatoriali. Pertanto, la configurazione scelta da Yu et al. rappresenta un compromesso fra estensione verticale, durata dell’integrazione, costo computazionale e capacità di descrivere i processi della media atmosfera.

L’integrazione numerica viene effettuata per 40 anni di modello. I primi cinque anni vengono considerati periodo di spin-up e non vengono utilizzati nello stesso modo dei successivi anni per l’analisi climatologica. Lo spin-upcostituisce una procedura fondamentale negli esperimenti climatici di lunga durata. All’inizio di un’integrazione, infatti, lo stato del modello conserva inevitabilmente una memoria delle condizioni iniziali utilizzate per avviarlo. Diversi componenti del sistema atmosferico hanno tempi di aggiustamento differenti: i campi dinamici possono adeguarsi relativamente rapidamente, mentre alcuni traccianti chimici e le componenti della circolazione media possono richiedere intervalli più lunghi per raggiungere uno stato statistico coerente con le forzanti del modello. Escludere i primi anni riduce pertanto il rischio di interpretare come variabilità fisica segnali dovuti semplicemente all’aggiustamento numerico iniziale.

Come stato iniziale viene utilizzata la configurazione Fw2000, rappresentativa di una climatologia costruita intorno all’anno 2000 e, nello specifico, del periodo 1995–2005. Si tratta di una scelta particolarmente adatta allo scopo dello studio perché l’obiettivo non è ricostruire una sequenza specifica di inverni realmente osservati, ma generare una lunga popolazione di stati atmosferici sotto condizioni climatiche di fondo sostanzialmente stazionarie. In un esperimento di questo genere le differenze tra i compositi possono essere interpretate principalmente in termini di variabilità dinamica interna, QBO e vortice polare, invece di essere contaminate da un forte trend climatico di lungo periodo o da cambiamenti sistematici delle forzanti esterne.

Questa impostazione deve essere distinta da una rianalisi atmosferica. WACCM5 non cerca, nel presente esperimento, di riprodurre giorno per giorno l’atmosfera realmente osservata in uno specifico periodo storico attraverso l’assimilazione dei dati meteorologici. Si tratta di una simulazione climatica libera nella quale la dinamica interna del modello genera una propria sequenza di onde, vortici e anomalie atmosferiche all’interno delle condizioni al contorno prescritte. Ciò costituisce un vantaggio quando l’obiettivo è studiare meccanismi e costruire compositi con un campione relativamente ampio, ma implica anche che un particolare anno della simulazione non possa essere direttamente associato a uno specifico inverno osservato.

L’utilizzo di una climatologia intorno all’anno 2000 permette inoltre di limitare la variabilità delle condizioni di fondo che potrebbe derivare da cambiamenti progressivi dei gas serra, dell’ozono o di altri forcing climatici. Questo è metodologicamente importante perché la Brewer–Dobson circulation è sensibile ai cambiamenti climatici di lungo periodo. Numerosi studi modellistici hanno infatti mostrato che l’aumento dei gas serra può modificare il forcing ondulatorio e produrre nel tempo una tendenza al rafforzamento della circolazione stratosferica. In un esperimento mirato a separare gli effetti della QBO e del vortice polare, mantenere approssimativamente stabile il contesto climatologico aiuta a evitare che un trend esterno venga confuso con le anomalie dinamiche oggetto dell’analisi.

La durata pluridecennale dell’esperimento risponde anche a un’esigenza statistica. La QBO possiede un periodo di circa 28 mesi e il vortice polare presenta una notevole variabilità da un inverno all’altro. Per studiare contemporaneamente una QBO orientale o occidentale e un vortice polare forte o debole sono necessari numerosi cicli indipendenti. Una simulazione troppo breve potrebbe produrre soltanto pochi casi per ciascuna combinazione, rendendo i compositi molto sensibili a singoli eventi estremi. Dopo il periodo di spin-up, la lunga integrazione disponibile consente invece agli autori di classificare un numero maggiore di inverni e di analizzare separatamente le quattro principali combinazioni dinamiche che saranno definite nelle successive parti della metodologia.

Il modello produce numerose variabili con frequenza giornaliera, tra cui vento zonale, vento meridionale, velocità verticale, temperatura, altezza geopotenziale e flussi associati alle onde di gravità. La disponibilità congiunta di tali grandezze permette una diagnosi tridimensionale della circolazione. Il vento zonale è necessario per caratterizzare sia la QBO tropicale sia l’intensità del vortice polare; vento meridionale e velocità verticale costituiscono elementi fondamentali per derivare la circolazione residua; temperatura e geopotenziale descrivono la struttura termodinamica e dinamica della stratosfera; il flusso di quantità di moto associato alle onde di gravità consente infine di quantificarne direttamente il contributo alla circolazione.

La frequenza giornaliera dell’output rappresenta un compromesso efficace per l’obiettivo dello studio. Essa permette di descrivere la variabilità del vortice e delle onde planetarie su scale sinottiche e intrastagionali e di costruire medie e compositi stagionali senza generare volumi di dati proibitivi per un’integrazione di diverse decine di anni. Non significa però che la struttura temporale completa delle onde di gravità ad alta frequenza venga direttamente risolta dall’output giornaliero. Proprio per questo la disponibilità dei diagnostici relativi al flusso delle onde parametrizzate diventa essenziale: l’effetto medio delle onde sub-grid sulla quantità di moto può essere analizzato anche quando la singola oscillazione non è esplicitamente presente nei campi meteorologici giornalieri.

Questa caratteristica rappresenta una differenza metodologica importante rispetto agli studi basati esclusivamente sulle rianalisi. Nei prodotti di rianalisi l’effetto delle onde di gravità non risolte deve spesso essere dedotto indirettamente dal bilancio della quantità di moto o ricostruito mediante tecniche di filtraggio. Tali procedure possono produrre incertezze, soprattutto perché la scala delle onde varia con la quota e una separazione mediante numero d’onda fisso non corrisponde necessariamente alla stessa categoria fisica in tutta la colonna atmosferica. Nel caso di WACCM5, gli autori possono invece utilizzare direttamente informazioni diagnostiche relative al forcing delle onde di gravità parametrizzate e confrontarle con il contributo delle onde planetarie risolte.

Non bisogna tuttavia interpretare questa capacità come una misura osservativa diretta delle onde di gravità reali. Il flusso fornito dal modello rimane il risultato di una rappresentazione fisica parametrizzata e dipende dalle ipotesi inserite nello schema numerico. Le osservazioni e le simulazioni ad altissima risoluzione continuano infatti a mostrare una complessità dello spettro delle onde di gravità superiore a quella che può essere descritta da una singola parametrizzazione. Studi recenti con WACCM e WACCM-X hanno evidenziato, per esempio, che onde di gravità possono essere generate anche all’interno della media atmosfera e che il loro spettro viene continuamente modificato dal filtraggio operato dai jet stratosferici e mesosferici. Tali evidenze non invalidano l’approccio di Yu et al., ma devono essere considerate quando se ne interpretano quantitativamente i risultati.

Nel complesso, la configurazione dei dati adottata nello studio appare progettata specificamente per affrontare un problema di dinamica verticale dell’atmosfera che sarebbe difficile analizzare utilizzando esclusivamente osservazioni o rianalisi. La combinazione tra un dominio esteso fino alla bassa termosfera, 70 livelli verticali, una simulazione pluridecennale, una QBO regolarmente rappresentata e l’output diretto dei flussi delle onde di gravità permette di studiare simultaneamente la circolazione stratosferica e quella mesosferica. Questo aspetto è particolarmente importante per verificare se le anomalie del forcing ondulatorio nelle regioni superiori possano contribuire, attraverso il downward control, alle variazioni della Brewer–Dobson circulation stratosferica.

La scelta di WACCM5 risulta quindi strettamente collegata all’ipotesi scientifica fondamentale del lavoro: la BDC non deve essere considerata esclusivamente come una circolazione stratosferica controllata dalle grandi onde planetarie, ma come il risultato dell’interazione tra differenti categorie di onde lungo un dominio verticale che comprende anche la mesosfera. Il modello permette di rappresentare direttamente le onde planetarie risolte e, contemporaneamente, di diagnosticare il contributo delle onde di gravità parametrizzate, fornendo così una base coerente per separarne gli effetti sulla circolazione residua.

Inoltre, l’utilizzo di una lunga simulazione climatica con condizioni di fondo prossime a quelle dell’anno 2000 permette di concentrarsi sulla variabilità interna del sistema atmosferico piuttosto che sulla successione specifica degli eventi storici. La metodologia è pertanto particolarmente adatta a costruire compositi associati a differenti stati della QBO e del vortice polare. In questo modo ogni configurazione dinamica può essere studiata attraverso più eventi indipendenti e confrontata con una climatologia comune, riducendo almeno in parte la dipendenza dei risultati da singoli inverni eccezionali.

Dal punto di vista scientifico, il dataset prodotto da WACCM5 rappresenta dunque qualcosa di più di una semplice serie temporale di campi meteorologici. Esso costituisce un ambiente numerico nel quale troposfera, stratosfera, mesosfera e bassa termosfera sono integrate all’interno dello stesso quadro dinamico, radiativo e chimico. Questa continuità verticale è essenziale nello studio della Brewer–Dobson circulation, perché permette di seguire idealmente la catena dinamica che collega le sorgenti ondulatorie della troposfera, la propagazione delle onde nella stratosfera, il filtraggio esercitato dalla QBO e dal vortice polare, la deposizione di quantità di moto nella stratosfera superiore e nella mesosfera e la risposta della circolazione meridiana residua.

La configurazione utilizzata da Yu et al. deve quindi essere interpretata come un esperimento climatico controllato finalizzato alla comprensione dei meccanismi, piuttosto che come una ricostruzione dell’atmosfera osservata. Questa distinzione è fondamentale nell’interpretazione dei risultati successivi: le anomalie ottenute non indicano necessariamente ciò che si verifica in ogni singolo inverno reale caratterizzato da una determinata combinazione QBO–vortice polare, ma descrivono la risposta statistica che emerge all’interno del sistema modellistico quando quelle condizioni dinamiche vengono ripetutamente selezionate. Proprio questa capacità di isolare relazioni statistiche e meccanismi fisici rappresenta uno dei principali punti di forza delle lunghe integrazioni con modelli whole atmosphere.

In definitiva, il dataset WACCM5 adottato nello studio fornisce una base particolarmente appropriata per analizzare l’interazione tra Brewer–Dobson circulation, QBO, vortice polare, onde planetarie e onde di gravità. La grande estensione verticale consente di includere la regione mesosferica nella quale il gravity-wave drag diventa dominante; la rappresentazione della chimica mantiene la coerenza fra composizione, radiazione e dinamica; la lunga integrazione permette di ottenere numerosi cicli della QBO e differenti stati del vortice polare; l’output giornaliero delle principali variabili dinamiche consente di diagnosticare dettagliatamente la struttura della circolazione; e la disponibilità diretta dei flussi delle onde di gravità permette di affrontare uno dei problemi che più frequentemente limitano gli studi basati esclusivamente su osservazioni o rianalisi. Allo stesso tempo, la dipendenza delle onde sub-grid dalle parametrizzazioni e la natura idealizzata della QBO e delle condizioni climatologiche devono essere tenute presenti come elementi metodologici nella valutazione quantitativa dei risultati. È precisamente dall’equilibrio tra questi vantaggi e queste limitazioni che deriva il valore dell’esperimento numerico: non una riproduzione perfetta dell’atmosfera reale, ma uno strumento controllato attraverso il quale isolare e comprendere i processi fisici responsabili della variabilità della circolazione di Brewer–Dobson.

2.2 Metodi: diagnosi dinamica della circolazione di Brewer–Dobson

La metodologia adottata da Yu et al. (2025) per analizzare la circolazione di Brewer–Dobson sotto differenti combinazioni della Quasi-Biennial Oscillation e del vortice polare stratosferico boreale si fonda sulla formulazione della media euleriana trasformata, comunemente indicata come Transformed Eulerian Mean o TEM. Tale formulazione rappresenta uno dei principali strumenti teorici utilizzati nella moderna dinamica della stratosfera, poiché permette di descrivere in maniera fisicamente coerente il rapporto tra circolazione meridiana media, trasporto operato dalle perturbazioni e forcing esercitato dalle onde atmosferiche. L’impiego della TEM non costituisce pertanto una semplice scelta matematica, ma deriva dalla necessità di rappresentare correttamente la natura stessa della Brewer–Dobson circulation, che non coincide con la circolazione meridiana euleriana ottenuta mediando direttamente i venti, bensì con una circolazione residua che incorpora implicitamente una parte fondamentale del trasporto prodotto dalle onde. La revisione di Butchart (2014) sottolinea come l’introduzione della formulazione TEM da parte di Andrews e McIntyre abbia rappresentato uno dei passaggi teorici decisivi per la comprensione quantitativa della BDC, risolvendo l’apparente contraddizione tra la circolazione euleriana media e il trasporto di massa dedotto dalle osservazioni dei traccianti atmosferici.

Questa distinzione possiede un’importanza fondamentale. Se ci si limitasse alla media zonale del vento meridionale osservato o simulato, si otterrebbe infatti una rappresentazione della circolazione influenzata dalle correlazioni tra perturbazioni dinamiche e termiche, che non corrisponde necessariamente al movimento medio effettivo delle masse d’aria e dei traccianti. Le onde atmosferiche possono generare un trasporto di tipo “Stokes drift” che modifica sostanzialmente il movimento medio lagrangiano rispetto alla semplice velocità euleriana. La formulazione TEM combina quindi la circolazione media e il contributo delle perturbazioni in una velocità meridiana residua e in una velocità verticale residua. In condizioni appropriate, questa circolazione residua costituisce una buona approssimazione della circolazione diabaticamente guidata e del movimento medio attraverso il quale l’aria tropicale risale nella stratosfera, si sposta verso le latitudini extratropicali e successivamente discende. È precisamente questa proprietà che rende la TEM particolarmente adatta allo studio della Brewer–Dobson circulation.

Nel quadro teorico utilizzato da Yu et al., l’equazione del momento zonale permette di mettere in relazione le variazioni del vento zonale medio con la circolazione residua e con i differenti termini di forcing dinamico. La logica fisica è relativamente intuitiva, sebbene la formulazione matematica sia complessa: quando un’onda trasferisce quantità di moto al flusso atmosferico medio, produce un’accelerazione o una decelerazione del vento zonale; affinché il bilancio dinamico venga mantenuto, si sviluppa una circolazione meridiana secondaria. Tale risposta costituisce uno dei meccanismi fondamentali attraverso i quali le onde planetarie e le onde di gravità guidano la circolazione della media atmosfera. La BDC può pertanto essere interpretata come una forma di “pompaggio giroscopico”, nella quale il forcing zonale prodotto dalle onde viene bilanciato da movimenti meridiani e verticali su scala emisferica. Questa prospettiva è strettamente collegata alla teoria del downward control sviluppata da Haynes, McIntyre, Shepherd, Marks e Shine, secondo la quale la circolazione residua a una determinata quota può essere controllata dall’integrale del forcing zonale esercitato dalle onde alle quote superiori.

Il concetto di downward control assume particolare rilevanza nello studio di Yu et al. perché permette di comprendere perché le onde di gravità mesosferiche possano essere importanti anche per la BDC stratosferica. L’influenza dinamica di un’onda non deve infatti essere valutata esclusivamente nel punto nel quale essa viene generata o osservata. Se un’onda si propaga verticalmente e deposita quantità di moto nella stratosfera superiore o nella mesosfera, il forcing risultante può contribuire alla circolazione residua sottostante. In un sistema quasi stazionario, la risposta meridiana integrata dipende quindi dalla distribuzione verticale del drag ondulatorio. Ne consegue che un’anomalia della propagazione delle onde di gravità prodotta da un diverso stato del vortice polare può modificare la circolazione a quote notevolmente inferiori rispetto alla regione nella quale avviene la dissipazione dell’onda. Questa caratteristica giustifica la scelta di Yu et al. di utilizzare un modello whole atmosphere come WACCM5, capace di includere esplicitamente la mesosfera nel dominio di calcolo e di fornire direttamente diagnostici del forcing delle onde di gravità.

Nella formulazione TEM, il forcing delle onde planetarie viene diagnosticato principalmente attraverso il flusso di Eliassen–Palm, o E–P flux. Il flusso di Eliassen–Palm rappresenta uno degli strumenti più importanti della dinamica atmosferica perché permette di descrivere simultaneamente la propagazione delle onde e la loro interazione con il flusso zonale medio. In una rappresentazione meridiano-verticale, l’orientamento dei vettori E–P fornisce informazioni sulla direzione della propagazione dell’attività ondulatoria, mentre la convergenza o divergenza del flusso descrive il trasferimento di quantità di moto al vento zonale medio. In termini qualitativi, una convergenza del flusso E–P associata alle onde planetarie tende a produrre una decelerazione dei venti occidentali stratosferici, favorendo una risposta della circolazione residua con risalita alle latitudini inferiori e discesa alle latitudini più elevate. Questa relazione rappresenta uno dei fondamenti del paradigma secondo cui la Brewer–Dobson circulation è una circolazione “wave-driven”. Butchart (2014) mostra come l’uso congiunto della TEM e del flusso E–P abbia reso possibile quantificare il ruolo delle onde nel mantenimento della BDC molto più rigorosamente rispetto alle interpretazioni puramente descrittive basate sui traccianti.

La componente meridionale del flusso E–P utilizzata da Yu et al. è legata al trasporto meridiano di momento zonale operato dalle perturbazioni, mentre la componente verticale dipende dal trasporto eddy di calore potenziale. Questi due contributi descrivono aspetti complementari della propagazione delle onde di Rossby. Un’intensa propagazione verticale delle onde planetarie dalla troposfera alla stratosfera è generalmente associata a un forte flusso di attività ondulatoria verso l’alto; quando tali onde raggiungono regioni nelle quali vengono assorbite o rompono, il loro flusso converge e il momento viene trasferito al flusso medio. La conseguente decelerazione del vento zonale è accompagnata da una modificazione della circolazione meridiana residua. Tale processo assume la massima importanza durante l’inverno, quando i venti occidentali stratosferici permettono alle onde planetarie troposferiche di propagarsi verso l’alto. Al contrario, durante l’estate la struttura dei venti stratosferici impedisce in larga misura tale propagazione, producendo la forte asimmetria stagionale caratteristica della BDC.

La diagnostica attraverso il flusso di Eliassen–Palm permette quindi agli autori di separare concettualmente la componente della circolazione attribuibile alle onde planetarie da quella prodotta dalle onde di gravità. Si tratta di un passaggio metodologicamente importante perché le due famiglie di onde possiedono caratteristiche dinamiche molto differenti. Le onde planetarie vengono in larga misura risolte direttamente dalla griglia del modello e sono associate a strutture di grande scala, mentre una quota sostanziale dello spettro delle onde di gravità si sviluppa a scale spaziali troppo piccole per essere rappresentata esplicitamente e deve quindi essere parametrizzata. Sato e Hirano (2019), attraverso quattro rianalisi moderne, hanno mostrato che la componente residua della BDC è dominata in molte regioni dalle onde di Rossby, ma che le onde di gravità possono svolgere un ruolo essenziale nel determinare l’estensione verso le alte latitudini della circolazione e la posizione delle turn-around latitudes. Essi evidenziano inoltre come l’importanza relativa delle diverse categorie di onde cambi fortemente con la quota e con la stagione.

Nel metodo adottato da Yu et al., il contributo delle onde di gravità viene ricavato dal flusso di momento verticale associato alle perturbazioni e dalla sua divergenza verticale. Il principio fisico consiste nel fatto che un’onda di gravità capace di propagarsi verticalmente trasporta quantità di moto. Finché l’onda si propaga senza dissiparsi, il flusso di momento può rimanere relativamente conservato; quando invece l’onda incontra un livello critico, raggiunge condizioni di saturazione, diventa instabile o rompe, il flusso cambia e una parte della quantità di moto viene trasferita al vento medio. È questa deposizione a generare il gravity-wave drag. Il segno del drag dipende dalla direzione di propagazione e dalla velocità di fase delle onde sopravvissute al filtraggio esercitato dai venti sottostanti. Di conseguenza, qualsiasi cambiamento del vento zonale stratosferico, come quello associato alla QBO o al vortice polare, può modificare selettivamente lo spettro delle onde di gravità che raggiunge le quote superiori.

Questa interazione rende particolarmente interessante l’analisi congiunta di QBO e vortice polare. Il vortice polare boreale modifica infatti il filtro stratosferico attraversato dalle onde di gravità prima di raggiungere la mesosfera, mentre la QBO modifica drasticamente i venti tropicali e subtropicali e quindi le condizioni di propagazione delle onde su una vasta gamma di scale. Lo stato dinamico della stratosfera non costituisce quindi un semplice sfondo nel quale le onde si propagano passivamente: esso seleziona quali onde possono proseguire verso l’alto, quali vengono assorbite e a quale quota depositano il proprio momento. A loro volta, le onde modificate dallo stato del flusso alterano quello stesso flusso attraverso il drag. Ne deriva una relazione bidirezionale tra propagazione ondulatoria e circolazione media, fondamentale per comprendere l’intero esperimento numerico di Yu et al.

Le componenti meridiana e verticale della velocità residua vengono successivamente integrate dagli autori attraverso una funzione di corrente di massa. La funzione di corrente rappresenta un modo particolarmente efficace per visualizzare e quantificare una circolazione meridiana perché consente di trasformare un campo bidimensionale di velocità in una rappresentazione delle celle di trasporto di massa. Le linee della funzione di corrente possono essere interpretate come una descrizione della struttura media delle branche ascendenti e discendenti della circolazione residua, mentre il modulo della funzione fornisce informazioni sulla quantità di massa coinvolta nel trasporto. Nell’ambito della BDC, questa rappresentazione consente di distinguere chiaramente la risalita tropicale, il trasporto verso le medie e alte latitudini e la subsidenza dell’emisfero invernale.

La funzione di corrente residua presenta inoltre il vantaggio di poter essere scomposta in contributi associati a differenti termini del bilancio del momento. Ed è proprio questa proprietà a costituire uno degli elementi metodologicamente più interessanti dello studio. Sotto l’ipotesi di un comportamento quasi stazionario sulla scala temporale mensile e trascurando determinati termini relativamente piccoli del bilancio, Yu et al. possono associare una parte della funzione di corrente al forcing delle onde planetarie, una parte al forcing delle onde di gravità e una parte residua agli altri termini dinamici. In questo modo non si limitano a diagnosticare una BDC complessiva, ma cercano di ricostruire quali processi fisici siano responsabili delle anomalie della circolazione nelle differenti configurazioni QBO–BSPV.

Tale approccio costituisce un’applicazione concreta del principio secondo cui la BDC può essere interpretata mediante il bilancio del momento zonale. Se, per esempio, un’anomalia della divergenza del flusso E–P produce una maggiore decelerazione dei venti occidentali nella stratosfera extratropicale, la corrispondente funzione di corrente permette di diagnosticare l’anomalia della circolazione residua che dovrebbe accompagnare quel forcing. Analogamente, un’anomalia del gravity-wave drag può essere trasformata in un contributo equivalente alla funzione di corrente. Il confronto tra le due componenti fornisce quindi una misura quantitativa dell’importanza relativa delle onde planetarie e delle onde di gravità. È precisamente attraverso questo procedimento che il lavoro può giungere alla conclusione secondo cui, nella stratosfera superiore dell’emisfero settentrionale, le anomalie della BDC indotte dalle onde di gravità possono raggiungere un’intensità approssimativamente pari alla metà di quelle prodotte dalle onde planetarie, agendo tuttavia frequentemente in senso opposto.

Il quadro teorico trova un importante antecedente nello studio di Sato e Hirano (2019). Analizzando la climatologia della circolazione residua e il possibile contributo delle onde di gravità mediante diverse rianalisi, gli autori mostrarono che la semplice separazione tra una BDC stratosferica guidata dalle onde di Rossby e una circolazione mesosferica guidata dalle onde di gravità deve essere considerata soltanto una prima approssimazione. Le onde di gravità possono infatti influenzare anche la stratosfera, in particolare la geometria meridionale delle branche della circolazione, mentre le onde di Rossby continuano ad avere un ruolo a quote differenti a seconda della stagione. Questo risultato rafforza la scelta di Yu et al. di diagnosticare esplicitamente entrambi i contributi e di non attribuire automaticamente ogni anomalia stratosferica alle sole onde planetarie.

La scelta di lavorare sulla scala temporale mensile è anch’essa coerente con la natura della Brewer–Dobson circulation. La BDC rappresenta infatti una circolazione media relativamente lenta, mentre le singole onde planetarie e di gravità possono variare su scale temporali molto più rapide. L’utilizzo di medie mensili attenua una parte della variabilità transiente e permette di isolare il forcing medio esercitato dalle perturbazioni sulla circolazione. In questo regime, i termini di accelerazione locale possono diventare relativamente piccoli rispetto ai termini medi di forcing e la relazione tra drag ondulatorio e circolazione residua può essere interpretata più direttamente attraverso il principio del downward control. Ciò non significa che l’atmosfera sia realmente stazionaria, soprattutto durante eventi dinamici intensi quali i sudden stratospheric warmings; significa piuttosto che l’approssimazione quasi stazionaria costituisce un utile strumento diagnostico per analizzare le differenze climatologiche tra gruppi di mesi.

La necessità di questa cautela è particolarmente evidente nel caso del vortice polare boreale. Il vortice può subire variazioni molto rapide dell’intensità del vento zonale quando viene interessato da forti impulsi di attività ondulatoria. In queste situazioni il termine di accelerazione del vento medio non è necessariamente trascurabile. Il metodo di Yu et al. deve pertanto essere interpretato come una diagnosi delle anomalie medie associate alle differenti categorie dinamiche e non come una descrizione istantanea completa di ogni evento. Tale distinzione è comune negli studi della BDC: la formulazione TEM e il downward control sono particolarmente potenti quando vengono applicati alle medie stagionali o climatologiche, mentre l’interpretazione di eventi fortemente transitori richiede una considerazione più completa del bilancio del momento. Butchart sottolinea infatti che la BDC può essere diagnosticata attraverso differenti metodi e che nessun singolo indicatore ne cattura perfettamente tutti gli aspetti, soprattutto quando si passa dalla climatologia alle variazioni su scale temporali brevi.

Il secondo pilastro metodologico del lavoro è costituito dall’analisi composita. Gli autori non analizzano l’intera simulazione WACCM5 come un unico campione, ma classificano i mesi dell’inverno boreale in funzione di due variabili dinamiche fondamentali: la fase della QBO tropicale, distinta tra fase occidentale e fase orientale, e lo stato del vortice polare stratosferico boreale, distinto tra condizioni di vortice forte e condizioni di vortice debole. Ne derivano quattro configurazioni fondamentali: WQBO associata a vortice forte, WQBO associata a vortice debole, EQBO associata a vortice forte ed EQBO associata a vortice debole. Questa struttura sperimentale permette di separare almeno parzialmente gli effetti della QBO da quelli direttamente associati all’intensità del vortice.

La logica della classificazione è particolarmente importante perché QBO e vortice polare non sono statisticamente indipendenti. Una vasta letteratura ha mostrato infatti che la fase della QBO è correlata alla variabilità del vortice boreale attraverso il cosiddetto effetto Holton–Tan. In termini climatologici, la fase orientale della QBO nella bassa stratosfera tende a essere associata a un vortice polare più debole e caldo, mentre la fase occidentale è più frequentemente accompagnata da un vortice relativamente intenso e freddo. Questa relazione, tuttavia, non è deterministica e presenta una considerevole variabilità interannuale. Anstey e Shepherd hanno evidenziato come il collegamento QBO–vortice possa cambiare in funzione della quota utilizzata per definire la QBO, del periodo dell’inverno e della presenza di altre forzanti quali ENSO e ciclo solare. Lu et al. hanno inoltre mostrato che il meccanismo e l’intensità della relazione Holton–Tan possono variare su scale decadali in risposta a cambiamenti della circolazione stratosferica e dell’accoppiamento tra stratosfera e troposfera.

La suddivisione adottata da Yu et al. permette quindi di affrontare una questione che sarebbe difficile risolvere confrontando semplicemente tutti gli inverni EQBO con tutti gli inverni WQBO. Se la fase della QBO modifica statisticamente il vortice, una parte delle differenze della BDC osservate tra EQBO e WQBO potrebbe dipendere indirettamente dal fatto che i due campioni contengono una diversa frequenza di vortici forti e deboli. Separando esplicitamente i due stati del BSPV all’interno di ciascuna fase della QBO, diventa possibile confrontare, per esempio, una WQBO con vortice forte con una EQBO anch’essa caratterizzata da vortice forte. Tale approccio non elimina ogni forma di covarianza dinamica, ma permette una distinzione molto più significativa tra gli effetti associati al vento equatoriale e quelli legati direttamente allo stato della circolazione polare.

Questo aspetto assume particolare importanza alla luce delle teorie sull’effetto Holton–Tan. L’interpretazione originaria suggeriva che la QBO modificasse la posizione delle regioni critiche e quindi la propagazione meridionale delle onde planetarie extratropicali. Studi successivi hanno mostrato che anche la circolazione meridiana secondaria associata alla QBO può modificare il vento e la temperatura subtropicali e, attraverso questi cambiamenti, alterare l’indice di rifrazione delle onde di Rossby. La revisione di Butchart del 2022 sottolinea come il meccanismo esatto della teleconnessione QBO–vortice rimanga articolato e probabilmente coinvolga più processi contemporaneamente, tra cui modificazioni della propagazione delle onde e della circolazione residua. Per tale ragione un’analisi esplicita del flusso E–P e della funzione di corrente, come quella condotta da Yu et al., risulta particolarmente adatta a indagare il problema.

L’analisi composita viene applicata non soltanto alla BDC complessiva, ma anche alle anomalie della divergenza dell’attività delle onde planetarie e del forcing delle onde di gravità. Per ciascuna delle quattro configurazioni, gli autori calcolano quindi la differenza rispetto alla climatologia del modello. Ciò permette di rispondere a diverse domande contemporaneamente: se la circolazione è più intensa o più debole rispetto allo stato medio, a quale quota si concentra l’anomalia, quale tipo di onda produce il forcing dominante e se il contributo delle onde di gravità rafforza oppure contrasta quello delle onde planetarie.

La scelta di analizzare le anomalie, anziché esclusivamente i valori assoluti, è fondamentale perché la climatologia della BDC possiede già una fortissima struttura stagionale ed emisferica. Durante l’inverno boreale la circolazione profonda è naturalmente molto più intensa nell’emisfero settentrionale rispetto alla stagione estiva, così come la mesosfera presenta una potente circolazione dal polo estivo verso quello invernale. Concentrarsi sulle anomalie permette di rimuovere gran parte di questo ciclo medio e di evidenziare la perturbazione associata specificamente alle differenti combinazioni QBO–vortice.

La metodologia consente inoltre di analizzare la struttura interemisferica della risposta. Benché il vortice utilizzato per la classificazione sia quello boreale, la funzione di corrente della BDC viene diagnosticata globalmente. Questa scelta permette di verificare se una variazione del forcing ondulatorio dell’emisfero settentrionale venga compensata o accompagnata da anomalie nella risalita tropicale e nella circolazione dell’emisfero australe. Si tratta di un punto particolarmente importante poiché la BDC è una circolazione globale sottoposta al vincolo della continuità di massa: modificazioni di una branca devono essere dinamicamente compensate da variazioni in altre regioni della circolazione.

Proprio questa prospettiva globale permette agli autori di mostrare che la QBO non influenza soltanto l’intensità della BDC, ma anche la quota e la struttura meridionale delle sue anomalie. Il risultato secondo cui il centro anomalo del ramo discendente boreale tende a collocarsi nella stratosfera superiore durante la WQBO e nella stratosfera inferiore durante la EQBO non deriva semplicemente da un confronto dei venti zonali, ma dalla diagnosi della funzione di corrente residua e dalla sua decomposizione in termini di forcing ondulatorio. Allo stesso modo, la differente risposta dell’emisfero australe tra WQBO ed EQBO può essere interpretata attraverso la redistribuzione globale della circolazione residua.

Un ulteriore vantaggio dell’approccio risiede nella possibilità di estendere l’analisi fino alla mesosfera. Negli studi basati unicamente sulle rianalisi, questa regione è spesso meno affidabile a causa della scarsità delle osservazioni e delle differenze tra i sistemi di assimilazione. WACCM5 offre invece un dominio continuo fino alla bassa termosfera e permette di confrontare la stratosfera, prevalentemente controllata dalle onde planetarie, con la mesosfera, dove il gravity-wave drag assume un ruolo molto più importante. Ciò rende possibile verificare direttamente se le anomalie mesosferiche cambino tra vortice forte e debole e se tale risposta sia coerente con il filtraggio delle onde di gravità imposto dallo stato del vento stratosferico. Lo studio conclude infatti che le anomalie della circolazione mesosferica sono prevalentemente guidate dalle onde di gravità, con una circolazione tendenzialmente più forte durante condizioni di BSPV intenso e più debole durante un BSPV debole.

È importante, tuttavia, interpretare la decomposizione della circolazione con alcune cautele. La distinzione tra forcing planetario e gravity-wave drag non implica che i due processi siano realmente indipendenti. Le onde planetarie possono modificare il vento di fondo e quindi alterare il filtraggio delle onde di gravità; le onde di gravità possono modificare la circolazione media e quindi cambiare l’ambiente di propagazione delle onde planetarie. La somma dei contributi diagnostici fornisce pertanto una decomposizione utile del bilancio, ma la dinamica sottostante rimane non lineare e interattiva. Questa considerazione è particolarmente rilevante quando si confrontano vortici forti e deboli, poiché le differenze nello stato del vortice sono esse stesse in parte il risultato di una diversa storia del forcing delle onde planetarie.

Un’altra fonte di incertezza deriva dalla rappresentazione delle onde di gravità nel modello. Il termine GWF utilizzato nell’analisi dipende dai flussi simulati o parametrizzati da WACCM5 e pertanto dalla struttura degli schemi di gravity-wave drag. Sato e Hirano hanno mostrato che le parametrizzazioni delle onde di gravità nelle rianalisi e nei modelli non sempre riproducono perfettamente il contributo dinamico dedotto indirettamente dal bilancio atmosferico. Di conseguenza, il valore quantitativo attribuito al contributo delle onde di gravità nello studio di Yu et al. deve essere considerato rappresentativo della dinamica prodotta dalla configurazione WACCM5 utilizzata, pur avendo un notevole valore fisico per comprendere i meccanismi.

Nonostante tali limitazioni, la combinazione tra formulazione TEM, flusso di Eliassen–Palm, gravity-wave forcing, funzione di corrente residua e analisi composita rappresenta un impianto metodologico particolarmente efficace per affrontare la complessità della BDC. Ogni elemento della metodologia risponde infatti a una precisa esigenza scientifica: la TEM permette di rappresentare il trasporto medio in maniera dinamicamente coerente; il flusso E–P identifica il forcing delle onde planetarie; il gravity-wave drag quantifica il contributo delle onde non planetarie; la funzione di corrente traduce questi forcing in una struttura di trasporto di massa; il downward control fornisce il quadro teorico attraverso cui collegare il forcing alle quote superiori alla circolazione sottostante; infine, l’analisi composita permette di distinguere gli stati associati alla QBO e al vortice polare.

Questa impostazione metodologica permette quindi di superare una descrizione puramente correlativa della relazione tra QBO, vortice polare e Brewer–Dobson circulation. Invece di limitarsi a constatare che la BDC differisce tra WQBO ed EQBO oppure tra vortici forti e deboli, gli autori cercano di identificare il meccanismo dinamico responsabile delle differenze, seguendo la catena che conduce dalla modificazione dello stato del vento alla propagazione delle onde, dalla propagazione al trasferimento di quantità di moto e infine dal forcing ondulatorio alla circolazione residua.

È proprio questa struttura causale a conferire particolare interesse allo studio di Yu et al. (2025). La BDC emerge come il risultato di un equilibrio dinamico nel quale il forcing delle onde planetarie domina gran parte della circolazione stratosferica boreale, ma viene parzialmente compensato dalle onde di gravità nella stratosfera superiore; la QBO agisce modificando l’ambiente di propagazione delle onde e la posizione verticale della risposta; il vortice polare filtra sia le onde planetarie sia quelle di gravità e viene a sua volta modificato dal loro forcing; la mesosfera risponde soprattutto al gravity-wave drag; infine, il vincolo della continuità di massa collega queste anomalie attraverso Tropici e due emisferi. I risultati principali dello studio — compresa l’opposizione tra forcing planetario e delle onde di gravità nella stratosfera superiore e la dipendenza verticale delle anomalie del ramo discendente dalla fase QBO — sono dunque strettamente legati alla capacità della metodologia di decomporre la circolazione nei suoi differenti contributi dinamici.

Nel complesso, il metodo utilizzato rappresenta un’applicazione moderna e particolarmente completa della teoria della circolazione stratosferica sviluppata nel corso degli ultimi decenni. Dalla formulazione TEM di Andrews e McIntyre al principio del downward control di Haynes et al., fino agli studi contemporanei sulla climatologia della BDC e sul contributo delle onde di gravità, emerge un quadro teorico coerente: la circolazione meridiana della media atmosfera è inseparabile dal forcing ondulatorio. Lo studio di Yu et al. applica questo principio alla variabilità combinata della QBO e del vortice polare, fornendo uno strumento per distinguere come le differenti famiglie di onde costruiscano, modifichino o contrastino le anomalie della Brewer–Dobson circulation.

Da questa prospettiva, le equazioni utilizzate dagli autori non costituiscono semplicemente l’apparato matematico dell’analisi, ma rappresentano la traduzione quantitativa di un concetto fisico fondamentale: la BDC è il prodotto macroscopico dell’interazione continua fra onde e flusso atmosferico medio. La divergenza del flusso di Eliassen–Palm misura la maniera in cui le onde planetarie trasferiscono il proprio momento alla circolazione; il gravity-wave forcing rappresenta l’analogo contributo delle onde di gravità; la circolazione TEM descrive la risposta meridiana e verticale del sistema; la funzione di corrente permette di seguirne la distribuzione nello spazio; il downward control collega dinamicamente le quote superiori a quelle inferiori; l’analisi composita, infine, mostra come l’intero sistema venga riorganizzato quando cambiano contemporaneamente la QBO tropicale e lo stato del vortice polare boreale. È questa integrazione tra teoria, modellistica e diagnostica ondulatoria a rendere l’approccio di Yu et al. particolarmente adatto a comprendere la complessa architettura dinamica della circolazione di Brewer–Dobson.

3. Risultati – 3.1 Valutazione delle prestazioni delle simulazioni della circolazione invernale dell’emisfero settentrionale

La prima fase dell’analisi condotta da Yu et al. (2025) è dedicata alla verifica della capacità del sistema modellistico di rappresentare correttamente la circolazione di Brewer–Dobson durante l’inverno dell’emisfero settentrionale e, soprattutto, alla valutazione dell’ipotesi secondo cui la maggior parte della circolazione residua alle medie e alte latitudini possa essere ricostruita a partire dal forcing esercitato dalle onde planetarie e dalle onde di gravità mediante il principio del downward control. Questa verifica preliminare riveste un’importanza centrale per l’intero studio, poiché le successive interpretazioni delle anomalie della BDC nelle differenti combinazioni tra Quasi-Biennial Oscillation e vortice polare stratosferico boreale dipendono dalla capacità del modello di riprodurre in maniera coerente il legame fisico tra deposizione di quantità di moto ondulatorio e circolazione meridiana residua. Il problema non consiste semplicemente nello stabilire se WACCM5 riproduca una circolazione qualitativamente simile alla climatologia osservata, ma nel verificare se la decomposizione dinamica utilizzata dagli autori riesca effettivamente a spiegare la BDC simulata nelle regioni in cui il principio del downward control è teoricamente più affidabile.

La teoria moderna della Brewer–Dobson circulation interpreta infatti la circolazione stratosferica come un sistema prevalentemente guidato dalle onde. La revisione di Butchart (2014) ha mostrato come la propagazione, la dissipazione e la rottura delle onde atmosferiche costituiscano il fondamento dinamico della circolazione residua che trasporta aria verso l’alto ai Tropici e verso il basso alle medie e alte latitudini. Tale struttura non viene generata primariamente da un semplice riscaldamento differenziale meridionale, bensì dalla necessità dinamica di bilanciare il torque esercitato dalle onde sul flusso zonale medio. Il principio del downward control, formalizzato da Haynes e collaboratori, rappresenta una delle conseguenze più importanti di questa interpretazione: in condizioni sufficientemente prossime allo stato quasi stazionario, la circolazione residua a una determinata quota può essere collegata al forcing zonale integrato esercitato dalle onde al di sopra di quella quota. Ciò significa che la circolazione osservata nella stratosfera può risentire non soltanto del forcing prodotto localmente dalle onde planetarie, ma anche della deposizione di quantità di moto che avviene nella stratosfera superiore e nella mesosfera.

Yu et al. utilizzano precisamente questo principio per ricostruire una funzione di corrente di massa associata alla dissipazione delle onde planetarie e delle onde di gravità e confrontarla con la funzione di corrente ottenuta direttamente integrando le velocità residue della formulazione TEM. Il confronto rappresentato nella Figura 1 assume quindi il significato di un vero e proprio test di chiusura dinamica. Se la funzione di corrente derivata dal forcing ondulatorio presenta una struttura simile a quella ottenuta direttamente dalla circolazione residua, ciò suggerisce che il contributo meccanico delle onde costituisca effettivamente la componente dominante della BDC in quella regione. Al contrario, una forte discrepanza tra i due metodi indica che altri termini del bilancio, compresi gli effetti diabatici e i termini non stazionari, non possono essere trascurati.

Gli autori limitano deliberatamente questo confronto alle regioni extratropicali, poiché il principio del downward control diventa meno direttamente applicabile alle basse latitudini. Tale scelta è importante e impedisce di attribuire al metodo una validità universale che esso non possiede. Nelle regioni tropicali la dinamica della BDC risulta infatti particolarmente sensibile al bilancio termodinamico, al riscaldamento radiativo, alla convezione e alla circolazione secondaria associata alla QBO. La velocità verticale residua tropicale non può quindi essere ricostruita semplicemente integrando il forcing zonale extratropicale senza ulteriori assunzioni. La stessa revisione di Butchart evidenzia come la diagnosi della BDC dipenda dal metodo utilizzato e come circolazione residua, circolazione diabaticamente derivata e trasporto effettivo dei traccianti costituiscano rappresentazioni collegate ma non perfettamente equivalenti della circolazione stratosferica.

Nella Figura 1a di Yu et al., la funzione di corrente attribuibile al forcing combinato delle onde planetarie e delle onde di gravità presenta una notevole somiglianza con la funzione di corrente residua totale alle latitudini comprese approssimativamente tra 50° e 80° in entrambi gli emisferi. La concordanza interessa sia la stratosfera sia gran parte della mesosfera. Questo risultato è fondamentale perché dimostra che, nelle regioni di alta latitudine sulle quali si concentra successivamente lo studio, il bilancio dinamico è effettivamente dominato dal forcing ondulatorio. La struttura riprodotta comprende le celle stratosferiche tipiche della Brewer–Dobson circulation nei due emisferi e, più in alto, la circolazione mesosferica globale caratterizzata nella stagione considerata da risalita nell’emisfero australe estivo e discesa nell’emisfero boreale invernale. Lo studio originale sottolinea che questa coerenza tra le due diagnosi costituisce la base per utilizzare successivamente la decomposizione planetaria e delle onde di gravità nell’interpretazione delle anomalie della BDC.

La stessa conclusione emerge esaminando le diverse superfici isobariche mostrate nelle Figure 1b–1f. Alle medie e alte latitudini le linee della funzione di corrente ricostruita dal forcing ondulatorio si avvicinano a quelle ottenute direttamente dalla velocità residua e, soprattutto, presentano gradienti meridionali simili. Tale corrispondenza è particolarmente significativa perché il gradiente meridionale della funzione di corrente è direttamente collegato alla componente verticale della circolazione residua. L’accordo non riguarda quindi soltanto la forma generale delle celle, ma anche la struttura del movimento verticale che determina la subsidenza stratosferica polare e la risalita nelle regioni di compensazione. In termini fisici, ciò suggerisce che la convergenza e la divergenza dei flussi di quantità di moto associati alle onde riescano a spiegare una parte sostanziale della circolazione verticale simulata alle alte latitudini.

Questo comportamento è coerente con la climatologia della BDC ricostruita attraverso rianalisi atmosferiche. Sato e Hirano (2019), analizzando quattro differenti rianalisi, hanno evidenziato come la circolazione meridiana della media atmosfera sia essenzialmente guidata dalle onde, con le onde di Rossby dominanti nella stratosfera e le onde di gravità progressivamente più importanti alle quote superiori. Gli autori hanno mostrato inoltre che la branca profonda della BDC nell’emisfero invernale è prevalentemente controllata dalle onde planetarie, mentre il contributo delle onde di gravità diventa particolarmente importante nel determinare la struttura della circolazione alle quote più elevate e l’estensione meridionale delle celle. La corrispondenza ottenuta da Yu et al. tra funzione di corrente residua e funzione di corrente derivata dalle onde è pertanto coerente con il quadro dinamico emerso indipendentemente dalle moderne rianalisi.

Il confronto con Diallo, Ern e Ploeger (2021) è altrettanto significativo. Utilizzando ERA5, gli autori hanno ricostruito la climatologia, la variabilità interannuale e i trend della componente avvettiva della Brewer–Dobson circulation, dimostrando che la BDC presenta una forte struttura stagionale e che la discesa extratropicale è particolarmente intensa nell’emisfero invernale. La loro analisi separa inoltre il forcing delle onde planetarie da quello delle onde di gravità e mostra che entrambi contribuiscono alla circolazione, sebbene con distribuzioni verticali e latitudinali differenti. La capacità di WACCM5 di riprodurre una circolazione coerente con questa struttura fornisce dunque un importante elemento di validazione della configurazione utilizzata da Yu et al.

Una conferma indipendente della struttura della BDC deriva anche dagli studi basati sull’età dell’aria stratosferica. Ploeger et al. (2021) hanno mostrato utilizzando ERA5 che la stratosfera presenta una branca superficiale caratterizzata da tempi di trasporto relativamente brevi e una branca profonda associata a permanenze di alcuni anni. Essi sottolineano inoltre come la circolazione mesosferica costituisca una prosecuzione del sistema di trasporto, con movimento dall’emisfero estivo verso quello invernale. L’accordo tra diagnostiche dinamiche e diagnostiche basate sui traccianti rafforza l’interpretazione secondo cui la funzione di corrente residua rappresentata nello studio di Yu et al. descrive una struttura fisicamente realistica della circolazione della media atmosfera.

La concordanza tra le due funzioni di corrente diminuisce tuttavia spostandosi verso le basse latitudini. Yu et al. attribuiscono almeno in parte questa divergenza all’importanza crescente degli effetti diabatici nella determinazione della circolazione residua, coerentemente con l’equazione termodinamica utilizzata nella formulazione TEM. Questo punto merita particolare attenzione: la mancata corrispondenza alle basse latitudini non rappresenta necessariamente un fallimento del modello, ma riflette i limiti della decomposizione mediante downward control. Nei Tropici la risalita stratosferica è strettamente connessa al bilancio radiativo e al riscaldamento diabatico e può essere modulata direttamente dalla QBO, da ENSO e dalla variabilità della tropopausa tropicale. Diallo et al. hanno mostrato, ad esempio, che sia QBO sia ENSO producono variazioni rilevanti della risalita tropicale e della discesa extratropicale, modificando il campo termico e quindi la circolazione residua.

Per questa ragione Yu et al. restringono le successive interpretazioni della decomposizione ondulatoria alle alte latitudini dei due emisferi. Dal punto di vista metodologico si tratta di una scelta prudente: invece di applicare indiscriminatamente la stessa diagnostica all’intero dominio, gli autori identificano le regioni nelle quali il confronto tra circolazione derivata dalle onde e circolazione residua mostra un’effettiva chiusura del bilancio. I risultati ottenuti nelle Figure 2 e 3 devono quindi essere interpretati soprattutto in questo contesto extratropicale.

La Figura 2 introduce la seconda parte della valutazione mostrando le anomalie del vento zonale associate alle quattro combinazioni tra QBO e vortice polare. Durante le condizioni di BSPV debole, la stratosfera boreale delle medie e alte latitudini è caratterizzata, come prevedibile, da anomalie occidentali negative, cioè da venti zonali occidentali più deboli rispetto alla climatologia. La risposta è particolarmente marcata durante la WQBO, quando l’anomalia nella stratosfera superiore raggiunge circa −30 m s⁻¹. Il risultato dimostra che la classificazione utilizzata dagli autori riesce a distinguere stati dinamicamente molto differenti del vortice e che la fase della QBO modula ulteriormente la distribuzione verticale e l’intensità delle anomalie.

Durante la EQBO associata a un vortice debole, l’anomalia negativa del vento occidentale boreale risulta meno intensa, con valori che rimangono entro circa −20 m s⁻¹. Contemporaneamente compare nella bassa stratosfera australe di alta latitudine un’anomalia di vento orientale, interpretabile come un’estensione anomala verso il polo della fascia estiva dei venti orientali stratosferici. Questo segnale evidenzia un elemento che diventerà centrale nelle sezioni successive dello studio: la combinazione tra QBO e stato del vortice boreale non modifica esclusivamente la circolazione dell’emisfero settentrionale, ma può essere accompagnata da una riorganizzazione interemisferica del vento zonale e della BDC.

Quando il BSPV è forte, le anomalie del vento presentano un quadro sostanzialmente opposto: alle medie e alte latitudini boreali prevalgono anomalie occidentali positive, espressione di un vortice più intenso rispetto alla climatologia. Anche in questo caso la risposta risulta particolarmente estesa e marcata durante la WQBO. La differenza rispetto alle condizioni di vortice debole mostra che il segnale associato allo stato del BSPV costituisce una componente fondamentale della variabilità della stratosfera boreale, ma che la QBO può modificarne l’ampiezza e la struttura verticale. Durante la EQBO e BSPV forte, invece, le anomalie del vento nella stratosfera australe risultano meno evidenti rispetto a quelle associate alla configurazione di vortice debole.

Questi risultati si inseriscono naturalmente nel contesto della relazione Holton–Tan, secondo la quale la QBO tropicale può modificare statisticamente lo stato del vortice polare attraverso variazioni delle condizioni di propagazione delle onde planetarie. È tuttavia importante non interpretare la configurazione osservata da Yu et al. in maniera deterministica. Le categorie dello studio comprendono infatti volutamente sia EQBO con vortice forte sia WQBO con vortice debole, proprio perché la relazione QBO–vortice è probabilistica e non impedisce il verificarsi di combinazioni opposte alla risposta climatologica più frequente. Questa caratteristica rende l’esperimento particolarmente interessante, poiché permette di distinguere l’influenza della fase equatoriale da quella associata direttamente allo stato del vortice.

La Figura 3 fornisce infine la chiave dinamica per interpretare la climatologia simulata. Nella stratosfera extratropicale, la divergenza del flusso di quantità di moto associato alle onde planetarie assume prevalentemente valori negativi. Ciò corrisponde a una convergenza di momento perturbato diretto verso ovest e quindi a una forza che tende a rallentare i venti occidentali del flusso medio. Questo forcing è più intenso nell’emisfero settentrionale, coerentemente con la maggiore attività delle onde planetarie durante l’inverno boreale. La differenza emisferica deriva in larga misura dalla maggiore asimmetria longitudinale dell’emisfero settentrionale, dalla distribuzione di continenti e grandi sistemi orografici e dalle condizioni favorevoli alla propagazione verticale delle onde di Rossby durante la stagione invernale.

La conseguenza del drag planetario non consiste semplicemente in un rallentamento locale del vento zonale. Attraverso il bilancio del momento, il torque esercitato dalle onde induce una circolazione meridiana residua: l’aria viene trasportata verso il polo nella stratosfera e la continuità di massa impone movimenti verticali compensatori. Si sviluppa così la configurazione classica della Brewer–Dobson circulation, con risalita alle basse latitudini e subsidenza nell’emisfero invernale. Questa relazione tra convergenza del flusso ondulatorio e circolazione residua costituisce una manifestazione del cosiddetto gyroscopic pumping, ossia della risposta meridiana dell’atmosfera a un torque zonale.

Il fatto che la convergenza del flusso delle onde planetarie sia maggiore nell’emisfero settentrionale coincide con una BDC boreale più intensa, risultato che Yu et al. considerano coerente con Diallo et al. (2021). L’analisi ERA5 di Diallo e collaboratori mostra infatti una marcata dipendenza stagionale della BDC e mette in evidenza il ruolo fondamentale della rottura delle onde nel determinare l’intensità del trasporto residuo. Anche il più recente studio del 2025 sulla separazione dinamica delle branche profonda e superficiale della circolazione stratosferica mostra chiaramente che la climatologia della BDC presenta una cella più forte nell’emisfero invernale e associa direttamente tale struttura alla distribuzione del drag delle onde risolte. Queste evidenze indipendenti rafforzano la conclusione secondo cui WACCM5 rappresenta in maniera fisicamente coerente il forcing planetario della circolazione.

Le onde di gravità presentano una struttura differente. Nella stratosfera esse producono anch’esse, mediamente, una convergenza del flusso di momento, ma di intensità inferiore rispetto alle onde planetarie. Questo risultato è coerente con l’idea consolidata che la BDC stratosferica, soprattutto nella sua branca profonda invernale, sia principalmente guidata dalle onde di Rossby. Sato e Hirano hanno tuttavia dimostrato che la distinzione non è assoluta e che il contributo delle onde di gravità può essere rilevante anche nella stratosfera, in particolare per la geometria e l’estensione della circolazione. Il lavoro di Yu et al. approfondisce proprio questa componente mostrando successivamente che le anomalie delle onde di gravità nella stratosfera superiore possono raggiungere una frazione significativa del forcing planetario.

Salendo nella mesosfera, il quadro cambia radicalmente. Nell’emisfero meridionale estivo, le onde di gravità producono una divergenza del flusso di momento che corrisponde a un’accelerazione verso est, mentre nell’emisfero settentrionale invernale prevale una convergenza associata a un’accelerazione verso ovest. In termini di vento medio, il gravity-wave drag tende quindi a indebolire sia i venti occidentali della mesosfera invernale boreale sia i venti orientali della mesosfera estiva australe. Questa opposizione rispetto ai jet radiativamente favoriti costituisce uno dei risultati fondamentali della dinamica mesosferica.

Il meccanismo è noto da diversi decenni. Poiché la densità atmosferica diminuisce rapidamente con la quota, l’ampiezza delle onde di gravità che si propagano verso l’alto tende ad aumentare. Le onde vengono progressivamente filtrate dal vento di fondo in funzione della loro velocità di fase e possono infine raggiungere condizioni di saturazione, instabilità o rottura. Quando ciò avviene, depositano quantità di moto nel flusso medio e producono un drag capace di modificare radicalmente la circolazione mesosferica. La grande revisione di Fritts e Alexander ha mostrato come tale processo sia essenziale per spiegare la struttura osservata della media atmosfera e, in particolare, l’inversione dei jet mesosferici e la circolazione meridiana estiva-invernale.

Vincent (2015) ha sintetizzato efficacemente questo quadro mostrando che la dinamica della mesosfera e della bassa termosfera è dominata dagli effetti delle onde e che la deposizione di momento da parte delle onde di gravità sostiene una circolazione che procede dal polo estivo al polo invernale. Nella stratosfera invernale sono soprattutto le onde planetarie a guidare la circolazione residua; nella mesosfera, invece, il controllo passa progressivamente alle onde di gravità. È precisamente questa transizione verticale che appare nella Figura 3 di Yu et al.

La struttura del gravity-wave forcing riprodotta da WACCM5 genera quindi una circolazione mesosferica con risalita alle alte latitudini dell’emisfero meridionale e discesa alle alte latitudini dell’emisfero settentrionale. Dal punto di vista termodinamico, la risalita produce raffreddamento adiabatico nell’emisfero estivo, mentre la subsidenza produce riscaldamento dinamico nell’emisfero invernale. Questo meccanismo contribuisce alla nota inversione del gradiente termico radiativo della mesosfera: nonostante l’emisfero estivo riceva maggiore radiazione solare, la mesopausa estiva può risultare straordinariamente fredda proprio a causa della risalita dinamicamente forzata dalle onde di gravità.

L’aspetto più innovativo dell’interpretazione proposta da Yu et al. riguarda tuttavia la seconda conseguenza del gravity-wave forcing: il suo possibile effetto sulla stratosfera attraverso il downward control. Le onde di gravità esercitano il massimo del proprio forcing nella mesosfera, ma ciò non significa che il loro contributo alla circolazione debba essere confinato a quella regione. Poiché la circolazione residua inferiore dipende dal torque integrato al di sopra, variazioni della deposizione di momento mesosferica possono contribuire alla BDC stratosferica. Si tratta di un punto cruciale, perché gran parte della letteratura precedente sulla variabilità della BDC ha concentrato l’attenzione sulle anomalie delle onde planetarie stratosferiche, mentre il contributo delle onde di gravità proveniente dalle quote mesosferiche è stato analizzato molto meno sistematicamente.

Sato e Hirano (2019) avevano già evidenziato questa lacuna, mostrando che una parte non trascurabile del forcing necessario per spiegare la climatologia della circolazione non può essere attribuita alle sole onde di Rossby risolte. Butchart aveva analogamente sottolineato che uno dei principali elementi di incertezza nella comprensione quantitativa della BDC riguarda proprio la ripartizione del forcing tra onde planetarie, onde sinottiche e onde di gravità parametrizzate, con differenze sostanziali tra modelli. Il lavoro di Yu et al. si inserisce direttamente in questa problematica cercando di quantificare separatamente i due contributi utilizzando l’output specifico delle onde di gravità prodotto da WACCM5.

La validazione mostrata nella Figura 1 è quindi essenziale anche per interpretare la Figura 3. Il fatto che la somma del forcing delle onde planetarie e delle onde di gravità riesca a riprodurre abbastanza bene la funzione di corrente residua alle alte latitudini suggerisce che la decomposizione utilizzata dagli autori possieda una reale consistenza dinamica. Non dimostra che ogni dettaglio della circolazione sia perfettamente rappresentato, né elimina le incertezze associate alla parametrizzazione delle onde di gravità, ma indica che il bilancio medio della circolazione extratropicale simulata è compatibile con il paradigma della BDC guidata dalle onde.

È importante sottolineare proprio quest’ultimo limite. Le onde planetarie di grande scala sono in larga misura risolte esplicitamente dal modello, mentre una parte considerevole delle onde di gravità è parametrizzata. Il loro forcing dipende quindi dalle ipotesi contenute negli schemi di gravity-wave drag. Le differenze tra modelli e rianalisi nella rappresentazione di queste onde possono determinare differenze nell’intensità diagnosticata della BDC. Diallo et al., confrontando ERA5 ed ERA-Interim, hanno infatti evidenziato che, nonostante una buona concordanza nella struttura spaziale generale, esistono differenze sostanziali nell’intensità della circolazione e nei forcing ondulatori, soprattutto nella regione UTLS e nella stratosfera superiore. Questo suggerisce cautela nell’interpretazione quantitativa assoluta del contributo delle onde di gravità prodotto da un singolo modello.

La coerenza qualitativa tra WACCM5 e la letteratura rimane tuttavia significativa. La circolazione boreale invernale più intensa, la predominanza delle onde planetarie nella stratosfera, la crescente importanza del gravity-wave drag salendo verso la mesosfera e la circolazione mesosferica dal polo estivo verso quello invernale corrispondono tutti a caratteristiche ben documentate della media atmosfera. Gli studi osservativi, le rianalisi e i modelli convergono dunque sulla struttura generale, anche se rimangono differenze sulla quantificazione precisa dei singoli contributi.

L’analisi di Yu et al. permette inoltre di collegare queste caratteristiche climatologiche alla variabilità del vortice polare. La differenza fra BSPV forte e debole modifica il vento zonale attraverso cui le onde devono propagarsi. Questo implica che il vortice non è soltanto il risultato della deposizione di momento delle onde planetarie, ma agisce a sua volta come filtro per le perturbazioni successive. Un vortice più forte o più debole cambia la posizione dei livelli critici, le condizioni di rifrazione delle onde planetarie e lo spettro delle onde di gravità capace di raggiungere la mesosfera. Da questo punto di vista, le anomalie del vento mostrate nella Figura 2 costituiscono l’ambiente dinamico all’interno del quale si sviluppano le anomalie del forcing ondulatorio analizzate nelle sezioni successive.

La fase della QBO aggiunge un secondo filtro alla propagazione. Sebbene il massimo segnale della QBO si trovi nella stratosfera equatoriale, la sua circolazione secondaria e le modificazioni del vento subtropicale possono alterare la propagazione delle onde planetarie verso le alte latitudini e modificare la struttura del vortice polare. La combinazione fra fase della QBO e stato del BSPV può quindi generare condizioni di propagazione molto differenti anche quando l’intensità del vortice appartiene alla stessa categoria. Questo contribuisce a spiegare perché le anomalie zonali associate a WQBO e EQBO non risultino identiche all’interno dei campioni di vortice forte o debole.

La sezione 3.1 svolge dunque una funzione molto più importante di una semplice verifica tecnica del modello. Essa costruisce la base dinamica necessaria a interpretare tutti i risultati successivi. In primo luogo mostra che, alle latitudini comprese grossomodo tra 50° e 80°, la funzione di corrente attribuita al forcing combinato delle onde planetarie e delle onde di gravità riproduce in maniera soddisfacente la struttura della circolazione residua totale. In secondo luogo dimostra che WACCM5 riproduce la caratteristica predominanza delle onde planetarie nella stratosfera invernale e delle onde di gravità nella mesosfera. In terzo luogo conferma che le categorie di BSPV forte e debole corrispondono a stati del vento zonale nettamente distinti e che la QBO ne modula l’intensità e la struttura verticale. Infine, mette in evidenza come il gravity-wave forcing mesosferico possa contribuire alla circolazione stratosferica attraverso il downward control, aprendo la strada alla successiva quantificazione del suo contributo alle anomalie della BDC.

Il quadro che emerge è coerente anche con le più recenti analisi della struttura dinamica della BDC. Uno studio pubblicato nel 2025 dedicato alla separazione delle branche profonde e superficiali della circolazione mostra, utilizzando una diagnostica basata direttamente sul forcing dinamico, che la BDC stratosferica conserva la configurazione classica di risalita tropicale, trasporto verso i poli e discesa extratropicale e che la cella dell’emisfero invernale coincide con una più intensa dissipazione delle onde risolte. Il lavoro di Yu et al. aggiunge a questo quadro una dimensione ulteriore, mostrando come la circolazione debba essere considerata insieme al forcing delle onde di gravità che si sviluppa sopra la stratosfera e come la QBO e il vortice polare possano riorganizzare congiuntamente questa struttura.

Nel complesso, la valutazione delle simulazioni indica quindi che WACCM5 riesce a riprodurre i principali elementi fisici della circolazione invernale della media atmosfera. La stratosfera extratropicale boreale appare dominata dalla convergenza del momento associata alle onde planetarie, che rallenta i venti occidentali e sostiene la branca profonda della Brewer–Dobson circulation; nella stratosfera le onde di gravità esercitano un forcing mediamente più debole ma non trascurabile; salendo nella mesosfera esse diventano invece il principale agente dinamico responsabile della circolazione dal polo estivo verso quello invernale. La possibilità che questo forcing superiore influenzi anche la circolazione sottostante attraverso il principio del downward control rappresenta uno dei passaggi concettuali più importanti dell’intero studio.

Di conseguenza, la Figura 1 non deve essere letta semplicemente come una verifica grafica della somiglianza tra due funzioni di corrente, ma come una dimostrazione della consistenza interna del quadro dinamico utilizzato dagli autori. La Figura 2 mostra poi che il sistema modellistico è in grado di distinguere in maniera realistica le anomalie associate a un vortice polare forte o debole e di rappresentarne la modulazione da parte della QBO. La Figura 3 completa infine la diagnosi identificando la distribuzione climatologica dei due principali agenti meccanici della circolazione: onde planetarie nella stratosfera e onde di gravità soprattutto nella mesosfera. Considerate insieme, queste tre figure stabiliscono che la simulazione riproduce la sequenza fisica fondamentale che lega propagazione delle onde, trasferimento di quantità di moto, modificazioni del vento zonale e risposta della circolazione residua.

La sezione 3.1 fornisce pertanto la giustificazione fisica per interpretare le anomalie successive della Brewer–Dobson circulation in termini di competizione e cooperazione tra differenti tipi di onde. Il risultato è una rappresentazione della media atmosfera nella quale la stratosfera e la mesosfera non costituiscono sistemi indipendenti: il vortice polare modifica il filtraggio delle onde, la QBO riorganizza l’ambiente di propagazione, le onde planetarie controllano gran parte della circolazione stratosferica, le onde di gravità dominano quella mesosferica e il downward control collega dinamicamente queste regioni. È proprio questa continuità verticale a rendere particolarmente significativo il lavoro di Yu et al. (2025), poiché evidenzia come una comprensione completa della variabilità della Brewer–Dobson circulation richieda di considerare l’intera colonna della media atmosfera e non soltanto il forcing planetario localizzato nella stratosfera.

Figura 1 – Validazione dinamica della circolazione di Brewer–Dobson: confronto tra circolazione residua e forcing delle onde planetarie e di gravità

La Figura 1 di Yu et al. (2025) costituisce un passaggio essenziale per l’interpretazione dell’intero studio, poiché gli autori verificano preliminarmente se la circolazione di Brewer–Dobson ricostruita attraverso il forcing esercitato dalle onde planetarie e dalle onde di gravità sia effettivamente in grado di rappresentare la struttura della circolazione residua simulata da WACCM5. In altri termini, prima di attribuire le successive anomalie della BDC alle differenti combinazioni della Quasi-Biennial Oscillation e del vortice polare stratosferico boreale, viene sottoposta a verifica la premessa dinamica fondamentale dell’analisi: alle medie e alte latitudini, la dissipazione delle onde dovrebbe spiegare una parte dominante della circolazione meridiana della stratosfera e della mesosfera. La Figura 1 rappresenta quindi non soltanto una descrizione climatologica della BDC, ma una vera e propria verifica della consistenza fisica della metodologia basata sulla formulazione Transformed Eulerian Mean e sul principio del downward control. Earth and Planetary Physics

La circolazione di Brewer–Dobson viene tradizionalmente descritta come un sistema di trasporto caratterizzato dalla risalita dell’aria nella stratosfera tropicale, dal successivo movimento verso le medie e alte latitudini e dalla discesa nelle regioni extratropicali. Questa rappresentazione cinematica, tuttavia, non chiarisce quale forza mantenga la circolazione contro l’equilibrio radiativo. La moderna teoria dinamica identifica tale forza principalmente nell’interazione tra le onde atmosferiche e il flusso zonale medio. Quando le onde che si propagano dalla troposfera verso l’alto dissipano o rompono nella stratosfera e nella mesosfera, depositano quantità di moto e producono un torque sul flusso medio. La risposta dell’atmosfera a questo torque consiste nella formazione di una circolazione meridiana residua. Per questo la BDC viene considerata una circolazione prevalentemente wave-driven. Butchart (2014) sottolinea che la nozione moderna della BDC è inseparabile dal concetto di gyroscopic pumping: il drag prevalentemente occidentale esercitato dalle onde di Rossby sul flusso stratosferico induce trasporto verso il polo e, per continuità di massa, risalita tropicale e discesa extratropicale. Wiley Online Library

La Figura 1 verifica proprio questo paradigma confrontando due diagnosi indipendenti della circolazione. Nel pannello (a), le aree colorate rappresentano la funzione di corrente di massa ottenuta dal forcing combinato delle onde planetarie e delle onde di gravità, mentre le linee di contorno rappresentano la funzione di corrente ottenuta integrando direttamente la velocità meridionale residua. La prima grandezza può essere interpretata come la circolazione che dovrebbe essere prodotta dal forcing meccanico delle onde sulla base del downward control; la seconda costituisce invece una diagnosi diretta della circolazione TEM simulata dal modello. Se le due strutture coincidono o presentano caratteristiche molto simili, significa che il forcing ondulatorio riesce a spiegare quantitativamente una frazione sostanziale della circolazione residua.

Il riferimento teorico fondamentale è il principio del downward control formalizzato da Haynes, McIntyre, Shepherd, Marks e Shine (1991). In condizioni quasi stazionarie, questo principio stabilisce che la circolazione meridiana residua presente a una determinata quota può essere collegata al forcing zonale integrato esercitato dalle perturbazioni atmosferiche alle quote sovrastanti. Ne deriva una conseguenza molto importante: un forcing prodotto relativamente in alto nell’atmosfera può controllare dinamicamente una circolazione che si estende verso il basso. Ciò rende possibile, almeno alle latitudini extratropicali e nei limiti delle approssimazioni teoriche, derivare una funzione di corrente a partire dalla distribuzione del drag ondulatorio. American Meteorological Society Journals

Il pannello (a) mostra che questa ricostruzione funziona particolarmente bene alle medie e alte latitudini. Tra circa 50° e 80° di latitudine in entrambi gli emisferi, la distribuzione della funzione di corrente derivata da PW+GW segue abbastanza fedelmente la geometria della funzione di corrente totale. La corrispondenza si manifesta tanto nella stratosfera quanto nella mesosfera e suggerisce quindi che, in queste regioni, le onde planetarie e le onde di gravità costituiscano insieme il principale motore meccanico della circolazione media. È esattamente questo accordo che consente agli autori di limitare le successive interpretazioni soprattutto alle alte latitudini, dove l’applicazione del downward control risulta dinamicamente più robusta. Earth and Planetary Physics

La struttura complessiva del pannello (a) evidenzia inoltre la forte dipendenza stagionale ed emisferica della circolazione della media atmosfera. Il periodo analizzato è NDJF, cioè novembre, dicembre, gennaio e febbraio. Nell’emisfero settentrionale ci troviamo quindi nella stagione fredda, quando i venti occidentali stratosferici permettono una vigorosa propagazione verticale delle onde planetarie dalla troposfera. Nell’emisfero meridionale prevalgono invece condizioni estive. Tale asimmetria è fondamentale perché la propagazione delle onde planetarie di Rossby verso la stratosfera richiede determinate condizioni del vento zonale e risulta notevolmente più favorevole nell’emisfero invernale. Di conseguenza, la branca profonda della BDC risulta particolarmente intensa nell’emisfero boreale durante NDJF.

Questo comportamento concorda con la struttura classica della Brewer–Dobson circulation descritta da studi teorici, rianalisi e modelli climatici. Sato e Hirano (2019), analizzando quattro moderne rianalisi attraverso l’equazione del momento TEM, hanno mostrato che la branca profonda della BDC nella stratosfera media e superiore dell’emisfero invernale è principalmente guidata dalle onde planetarie, mentre le branche superficiali della bassa stratosfera dipendono maggiormente dalle onde di Rossby alla scala sinottica. Lo stesso studio ha tuttavia evidenziato che il contributo delle onde di gravità non è marginale: esse possono contribuire alla parte tropicale della branca superficiale e, soprattutto, all’estensione verso le alte latitudini della circolazione profonda in molte stagioni. ACP

La distinzione tra queste componenti è stata ulteriormente raffinata da Ploeger e collaboratori nel 2025, i quali hanno proposto una separazione dinamica delle branche profonda e superficiale della BDC utilizzando ERA5, ERA-Interim, MERRA-2 e JRA-55 all’interno dello stesso quadro TEM e downward control. Il loro studio conferma che la circolazione stratosferica è una circolazione meccanicamente forzata dalla dissipazione delle onde che si propagano verso l’alto dalla troposfera e mostra come la distribuzione latitudinale e verticale del forcing permetta di distinguere dinamicamente differenti rami della circolazione. La Figura 1 di Yu et al. si inserisce quindi in un quadro teorico e osservativo ben consolidato, ma lo estende verso la mesosfera grazie all’utilizzo di WACCM5 e alla rappresentazione diretta del forcing delle onde di gravità. ACP

La regione mesosferica rappresentata nella parte superiore del pannello (a) è particolarmente importante. Nella stratosfera il forcing dominante è generalmente associato alle onde di Rossby, mentre salendo verso la mesosfera aumenta notevolmente l’importanza delle onde di gravità. Durante l’estate australe e l’inverno boreale, il loro drag sostiene una circolazione mesosferica su scala quasi globale con risalita nell’emisfero meridionale estivo e discesa nell’emisfero settentrionale invernale. La forte risalita estiva produce raffreddamento adiabatico, mentre la subsidenza invernale determina riscaldamento dinamico. La struttura visibile nella Figura 1 rappresenta pertanto la transizione fra due regimi dinamici: una stratosfera in cui dominano largamente le onde planetarie e una mesosfera nella quale il forcing delle onde di gravità diviene progressivamente fondamentale.

I pannelli (b–f) consentono di valutare questa concordanza in maniera molto più quantitativa. Essi rappresentano sezioni latitudinali della funzione di corrente a cinque superfici isobariche: 0,03, 0,1, 1, 10 e 30 hPa. La curva blu tratteggiata, indicata come “All”, rappresenta la funzione di corrente totale calcolata dalla velocità residua, mentre la curva rossa continua, PW+GW, rappresenta quella derivata dal forcing combinato delle onde planetarie e delle onde di gravità. Non è necessario che le due curve coincidano esattamente in ogni punto affinché il metodo possa essere considerato valido. Più importante è verificare se abbiano ordine di grandezza, struttura meridionale e gradienti confrontabili nelle regioni in cui viene applicato il principio del downward control.

A 0,03 hPa, pannello (b), ci troviamo nella mesosfera superiore, a quote dell’ordine di diverse decine di chilometri sopra la stratopausa. Nell’emisfero australe il massimo della curva PW+GW intorno alle medie-alte latitudini risulta considerevolmente superiore a quello della funzione di corrente totale. La corrispondenza non è quindi perfetta in termini di ampiezza. La posizione generale del massimo è tuttavia simile, indicando che il forcing ondulatorio identifica correttamente la regione nella quale si concentra la circolazione. Nell’emisfero settentrionale, soprattutto procedendo dalle medie verso le alte latitudini, le due curve risultano più vicine. Tale comportamento suggerisce che il downward control riproduca in modo soddisfacente la struttura meridionale generale, pur mostrando differenze quantitative alle quote mesosferiche più elevate.

A 0,1 hPa, pannello (c), permane una configurazione simile. Nell’emisfero australe la curva PW+GW mostra un massimo alle medie-alte latitudini leggermente spostato e più intenso rispetto alla funzione di corrente totale. Nell’emisfero boreale, invece, entrambe le curve presentano una struttura positiva relativamente simile, con valori maggiori alle medie-alte latitudini e successiva diminuzione verso il polo. La coerenza della struttura indica che il forcing delle onde riproduce il carattere essenziale della circolazione, sebbene i termini esclusi dalla ricostruzione continuino a contribuire all’ampiezza effettiva.

Il pannello (d), relativo a 1 hPa, porta l’analisi nella regione della stratosfera superiore, in prossimità della stratopausa. Qui la relazione tra le due diagnosi diventa particolarmente interessante perché si tratta della zona nella quale il contributo relativo delle onde planetarie e delle onde di gravità cambia rapidamente. Nell’emisfero boreale, la forma della curva rossa PW+GW segue abbastanza bene quella della funzione di corrente totale alle alte latitudini. Nell’emisfero australe emergono invece differenze più marcate procedendo verso le latitudini inferiori. Questa graduale perdita di concordanza avvicinandosi ai subtropici costituisce già un’indicazione dei limiti della diagnostica basata sul solo forcing meccanico.

A 10 hPa, pannello (e), cioè nella stratosfera media, la corrispondenza alle alte latitudini dell’emisfero settentrionale è particolarmente evidente. Entrambe le curve descrivono una funzione di corrente positiva che raggiunge valori elevati alle medie latitudini e diminuisce procedendo verso il Polo Nord. L’ampiezza della funzione totale rimane superiore a quella ricostruita da PW+GW in parte del dominio, ma il gradiente meridionale e la geometria complessiva risultano comparabili. Poiché il gradiente meridionale della funzione di corrente è collegato alla velocità verticale residua, questa somiglianza significa che il forcing ondulatorio non riproduce soltanto la direzione della cella, ma anche una parte importante della sua struttura di subsidenza.

Il pannello (f), a 30 hPa, si colloca nella stratosfera medio-inferiore ed è forse uno dei più istruttivi per comprendere il messaggio della figura. Alle alte latitudini boreali le due curve convergono progressivamente e presentano valori abbastanza vicini, soprattutto procedendo verso il Polo Nord. Anche nell’emisfero australe si osserva una certa coerenza alle alte latitudini, mentre le differenze diventano molto più evidenti spostandosi verso le regioni subtropicali. Questa configurazione conferma che la ricostruzione basata sul downward control è soprattutto uno strumento diagnostico extratropicale.

La mancata corrispondenza nelle regioni tropicali e subtropicali non deve essere interpretata semplicemente come un errore del modello. Rappresenta piuttosto una conseguenza delle ipotesi teoriche del metodo. Nelle basse latitudini, la circolazione verticale dipende più direttamente dal bilancio termodinamico e dal riscaldamento diabatico, mentre i termini associati alla QBO e alle perturbazioni tropicali assumono un’importanza crescente. Nell’equazione termodinamica TEM, la velocità verticale residua è intimamente legata al riscaldamento e raffreddamento diabatico necessario a mantenere il bilancio termico rispetto all’equilibrio radiativo. Per questo gli autori sottolineano che alle latitudini inferiori l’effetto del riscaldamento diabatico non può essere trascurato. Earth and Planetary Physics

Questa cautela è coerente con le analisi basate sulle rianalisi. Diallo, Ern e Ploeger (2021), utilizzando ERA5 per il periodo 1979–2018, hanno mostrato che la BDC presenta una marcata variabilità interannuale legata sia alla QBO sia a ENSO e che le diverse sorgenti di forcing ondulatorio possiedono distribuzioni verticali e latitudinali differenti. Il loro studio conferma inoltre che le onde planetarie e le onde di gravità contribuiscono entrambe alla BDC, ma che la loro importanza relativa cambia considerevolmente con la regione atmosferica considerata. ACP

Un aspetto particolarmente importante della Figura 1 riguarda proprio il significato della somma PW+GW. Essa non implica che onde planetarie e onde di gravità esercitino sempre un’azione concorde. Il pannello rappresenta soltanto la risultante dei rispettivi contributi. Le sezioni successive di Yu et al. dimostrano infatti che, nella stratosfera superiore, le anomalie della circolazione prodotte dalle onde di gravità possono assumere segno opposto rispetto a quelle indotte dalle onde planetarie e raggiungere un’intensità pari a circa metà del contributo planetario. Earth and Planetary PhysicsLa buona corrispondenza della somma PW+GW con la BDC complessiva deve quindi essere interpretata come il risultato netto di processi che possono anche parzialmente compensarsi.

Questo punto è cruciale perché modifica la rappresentazione semplificata secondo cui le onde di gravità diventerebbero importanti soltanto “al di sopra” della stratosfera. Sato e Hirano hanno mostrato che le GW contribuiscono non soltanto alla circolazione mesosferica, ma anche alla struttura della BDC stratosferica, compresa l’estensione alle alte latitudini della branca profonda. Nella loro analisi, la componente potenzialmente attribuibile alle onde di gravità viene ricavata sottraendo dalla circolazione residua il contributo associato alle onde di Rossby e alla tendenza del vento zonale. Il risultato indica che, sebbene le onde planetarie restino il principale motore della branca profonda invernale, una descrizione quantitativa completa della BDC richiede anche il contributo delle onde di gravità. ACP

La Figura 1 di Yu et al. fornisce un supporto modellistico particolarmente interessante a questa conclusione perché WACCM5 permette di includere esplicitamente nel bilancio il forcing delle onde di gravità parametrizzate. Rispetto a una rianalisi, dove una parte del loro contributo deve essere inferita indirettamente, il modello offre quindi la possibilità di seguire separatamente le componenti di forcing planetario e gravitazionale. Ciò non elimina le incertezze: il gravity-wave drag dipende inevitabilmente dalle parametrizzazioni utilizzate nel modello e la sua intensità quantitativa non deve essere considerata una misura osservativa diretta. Tuttavia, la somiglianza tra la circolazione ricostruita dalle onde e la circolazione residua fornisce un importante test di consistenza interna.

Il risultato assume ancora maggiore significato se confrontato con il lavoro recente di Ploeger et al. (2025). Analizzando quattro rianalisi, questi autori hanno mostrato che la separazione delle branche della BDC può essere effettuata dinamicamente sulla base del forcing delle onde e che la struttura risultante conserva chiaramente la classica configurazione di risalita tropicale, trasporto verso il polo e discesa extratropicale. Il loro lavoro sottolinea inoltre che la BDC non deve essere pensata come una singola cella uniforme, ma come un insieme di percorsi dinamici differenti, associati alla posizione verticale e meridionale del drag ondulatorio. ACP La Figura 1 di Yu et al. può essere letta nello stesso quadro: la capacità del forcing ondulatorio di ricostruire la funzione di corrente varia con quota e latitudine perché cambiano tanto la natura delle onde quanto il bilancio dinamico che sostiene la circolazione.

Vi è inoltre una conseguenza importante per l’interpretazione della connessione fra stratosfera e mesosfera. Il principio del downward control implica che non sia corretto considerare indipendentemente il gravity-wave drag mesosferico e la BDC stratosferica. Una variazione del flusso di momento delle onde di gravità nella mesosfera può modificare il torque integrato sopra un determinato livello e, di conseguenza, contribuire alla circolazione residua stratosferica. Haynes et al. avevano già dimostrato teoricamente come le forze zonali esercitate dagli eddies alle quote superiori possano controllare una circolazione diabaticamente chiusa al di sotto. American Meteorological Society Journals Yu et al. utilizzano precisamente questa proprietà per motivare l’inclusione delle onde di gravità mesosferiche nell’analisi delle anomalie della BDC.

Ciò è particolarmente importante quando si introduce il vortice polare. Lo stato del BSPV modifica il vento zonale attraverso il quale le onde di gravità devono propagarsi. Un vortice forte e uno debole possono quindi filtrare in maniera differente lo spettro delle GW che riesce a raggiungere la mesosfera. La diversa deposizione di momento che ne deriva modifica la circolazione mesosferica e, attraverso il downward control, può lasciare un’impronta anche sulla BDC stratosferica. La Figura 1 non mostra ancora direttamente questa modulazione, perché rappresenta la climatologia media NDJF, ma dimostra che il meccanismo attraverso il quale essa verrà successivamente interpretata è dinamicamente plausibile.

Analogamente, la QBO modifica il profilo verticale dei venti tropicali e subtropicali e agisce come un filtro selettivo tanto per le onde equatoriali quanto per alcune componenti dello spettro delle onde di gravità. Poiché la QBO modifica inoltre la propagazione delle onde planetarie verso le alte latitudini attraverso la teleconnessione Holton–Tan, la distribuzione del forcing PW+GW può variare notevolmente tra EQBO e WQBO. La validazione presentata nella Figura 1 è dunque necessaria affinché le differenze individuate successivamente tra le differenti configurazioni QBO–BSPV possano essere interpretate come vere modificazioni dinamiche della BDC e non semplicemente come artefatti della ricostruzione.

Un altro punto importante riguarda la differenza fra forma e ampiezza delle curve nei pannelli (b–f). L’accordo non deve essere valutato soltanto sulla coincidenza numerica. In diversi livelli la curva rossa può essere più intensa o più debole della blu, ma conserva una struttura latitudinale comparabile. Questo significa che il forcing ondulatorio identifica correttamente dove la circolazione accelera, raggiunge un massimo o diminuisce, anche quando non ne riproduce perfettamente l’intensità. Per gli obiettivi dello studio questa informazione è fondamentale, poiché le successive analisi sono basate soprattutto sulle anomalie e sui cambiamenti della distribuzione spaziale del forcing.

L’accordo dei gradienti meridionali assume inoltre un significato fisico ancora maggiore della semplice vicinanza delle curve. Dalla definizione della funzione di corrente, la velocità verticale residua è proporzionale alla variazione meridionale della funzione stessa. Due curve che possiedono gradienti simili implicano quindi una struttura comparabile della risalita e della subsidenza. È proprio questa proprietà che consente agli autori di affermare che, alle medie e alte latitudini, la componente guidata dalle onde può spiegare approssimativamente l’intera BDC. Earth and Planetary Physics

Da un punto di vista climatologico, questo risultato rafforza l’interpretazione della BDC come risultato macroscopico dell’interazione onda–flusso medio. Le onde planetarie provenienti dalla troposfera trasferiscono momento al flusso stratosferico e sostengono soprattutto la branca profonda della circolazione invernale; le onde sinottiche contribuiscono maggiormente alle branche superficiali; le onde di gravità diventano progressivamente più importanti procedendo verso la stratosfera superiore e la mesosfera. La distribuzione finale della funzione di corrente deriva quindi dalla sovrapposizione di sorgenti di forcing differenti, ciascuna delle quali possiede specifiche regioni di generazione, propagazione e dissipazione. Butchart sottolineava già che una delle maggiori incertezze dei modelli climatici riguarda non l’esistenza di una BDC guidata dalle onde, che è ben consolidata, quanto la ripartizione quantitativa del forcing fra onde di Rossby risolte e onde di gravità parametrizzate. Wiley Online Library

La Figura 1 acquista perciò anche un significato metodologico più generale. Mostra che la funzione di corrente ottenuta direttamente dal modello e quella ricostruita attraverso il forcing ondulatorio non sono identiche in tutto il dominio atmosferico. Questo impedisce di interpretare il downward control come una relazione esatta e universale. Esso è un’approssimazione fisicamente potente soprattutto in condizioni quasi stazionarie e nelle regioni extratropicali. Eventi fortemente transitori, effetti diabatici, accelerazioni locali del vento e processi tropicali possono produrre deviazioni. La discrepanza osservata nella figura diventa quindi un’informazione scientifica, non semplicemente un errore: indica dove altri termini del bilancio acquisiscono importanza.

Nel complesso, la Figura 1 dimostra che la configurazione WACCM5 utilizzata da Yu et al. possiede una rappresentazione dinamicamente coerente della circolazione della media atmosfera e che il metodo utilizzato per separare i contributi ondulatori può essere applicato con ragionevole affidabilità soprattutto alle medie e alte latitudini. La buona corrispondenza tra la funzione di corrente derivata da PW+GW e quella ottenuta dalla velocità residua tra circa 50° e 80° nei due emisferi costituisce la validazione fondamentale. Al tempo stesso, le divergenze crescenti alle latitudini inferiori ricordano che la BDC tropicale è governata da un equilibrio più complesso nel quale il riscaldamento diabatico, la dinamica della QBO e altri processi non possono essere eliminati dalla diagnosi.

La figura consente pertanto di comprendere la Brewer–Dobson circulation non come un semplice flusso di aria dai Tropici ai poli, ma come una risposta integrata della media atmosfera alla deposizione di quantità di moto delle onde. Nella stratosfera le onde planetarie rappresentano il principale motore della circolazione profonda; nella mesosfera il ruolo delle onde di gravità diventa dominante; attraverso il downward control, tuttavia, queste due regioni rimangono dinamicamente collegate. La capacità della somma dei loro forcing di riprodurre gran parte della circolazione residua extratropicale dimostra quanto profonda sia questa connessione verticale.

Da questo punto di vista, la Figura 1 costituisce la base interpretativa dell’intero lavoro di Yu et al. (2025). Una volta dimostrato che il forcing ondulatorio ricostruisce in maniera soddisfacente la BDC alle alte latitudini, diventa possibile chiedersi come questa relazione cambi quando il vortice polare boreale passa da uno stato debole a uno forte e quando contemporaneamente la QBO passa dalla fase occidentale a quella orientale. Le figure successive possono quindi essere lette come una decomposizione delle variazioni della stessa “pompa ondulatoria” mostrata qui nella sua climatologia media: variazioni della propagazione delle onde planetarie, modificazioni del filtraggio delle onde di gravità e conseguenti cambiamenti nella posizione e nell’intensità delle branche ascendenti e discendenti della Brewer–Dobson circulation. In questo senso, la Figura 1 non rappresenta soltanto una validazione numerica, ma dimostra il principio fisico centrale dell’intero studio: la struttura extratropicale della BDC emerge dall’integrazione verticale del forcing ondulatorio, e per comprenderne pienamente la variabilità è necessario considerare contemporaneamente sia le onde planetarie stratosferiche sia le onde di gravità che agiscono fino alla mesosfera. Earth and Planetary Physics

Figura 2 – Interazione tra QBO e vortice polare stratosferico boreale: struttura delle anomalie del vento zonale dalla stratosfera alla mesosfera

La Figura 2 di Yu et al. (2025) costituisce uno dei passaggi centrali dello studio perché permette di visualizzare direttamente come la struttura verticale e meridionale del vento zonale della media atmosfera venga riorganizzata quando le differenti fasi della Quasi-Biennial Oscillation, QBO, vengono combinate con stati opposti del vortice polare stratosferico boreale, BSPV. Gli autori considerano il periodo NDJF, comprendente novembre, dicembre, gennaio e febbraio, e suddividono gli stati atmosferici simulati da WACCM5 in quattro configurazioni: vortice polare debole associato a WQBO, vortice debole associato a EQBO, vortice forte associato a WQBO e vortice forte associato a EQBO. Le aree colorate rappresentano le anomalie del vento zonale medio rispetto alla climatologia, mentre le linee di contorno descrivono il vento zonale climatologico. Le anomalie statisticamente significative al 95% sono contrassegnate da puntini neri e quelle significative al 90% da puntini verdi. La figura deve quindi essere interpretata non semplicemente come una rappresentazione del vento, ma come una diagnosi tridimensionale, in coordinate latitudine-quota, dell’interazione tra i due principali modi di variabilità dinamica considerati nello studio. Earth and Planetary Physics

Questa impostazione è particolarmente appropriata perché QBO e vortice polare non costituiscono fenomeni dinamicamente indipendenti. La QBO è caratterizzata dall’alternanza di fasce di vento zonale orientale e occidentale nella stratosfera equatoriale, che discendono progressivamente con una periodicità media prossima a due anni e mezzo. La sua influenza, tuttavia, non rimane confinata alle basse latitudini. Una vasta letteratura osservativa e modellistica ha dimostrato che le anomalie equatoriali della QBO possono modificare la circolazione subtropicale, l’ambiente di propagazione delle onde planetarie e, attraverso differenti percorsi dinamici, lo stato del vortice polare invernale. La revisione di Anstey e Shepherd ha sintetizzato questa connessione nel quadro dell’effetto Holton–Tan, evidenziando che la variabilità interannuale del vortice stratosferico boreale è statisticamente correlata alla fase della QBO e che tale relazione coinvolge modificazioni della propagazione ondulatoria e della circolazione meridiana. Più recentemente, Anstey et al. hanno ribadito che la QBO costituisce una delle principali sorgenti di prevedibilità della stratosfera tropicale e può influenzare fenomeni extratropicali attraverso molteplici vie dinamiche. Royal Meteorological Society (RMetS)

Il pannello (a), relativo alla combinazione tra BSPV debole e WQBO, mostra in maniera particolarmente netta la separazione tra il segnale tropicale e quello polare. Nella stratosfera tropicale inferiore e media compare un’estesa anomalia positiva del vento zonale, corrispondente alla componente occidentale della QBO, mentre alle quote superiori si osserva una struttura di segno differente coerente con l’alternanza verticale caratteristica dell’oscillazione. Alle medie e alte latitudini boreali, al contrario, domina una vasta anomalia negativa che interessa gran parte della stratosfera e si estende verso la mesosfera. Il massimo indebolimento raggiunge circa −30 m s⁻¹ nella stratosfera superiore, indicando una marcata riduzione dei venti occidentali del vortice rispetto alla climatologia. Yu et al. sottolineano proprio che, tra le configurazioni caratterizzate da vortice debole, la risposta negativa dei venti boreali è particolarmente intensa nel caso WQBO. DOI

È importante precisare che il colore dell’anomalia deve sempre essere letto insieme al vento climatologico rappresentato dai contorni. Un’anomalia negativa non equivale automaticamente alla presenza di un vento assoluto orientale: nelle regioni in cui il clima medio è dominato da forti venti occidentali, essa può indicare semplicemente un indebolimento degli occidentali. Analogamente, un’anomalia positiva può rappresentare un rafforzamento di un flusso occidentale preesistente. Tale distinzione diventa fondamentale nella mesosfera, dove la direzione climatologica del vento può cambiare con la quota e con l’emisfero. La Figura 2 mostra pertanto le deviazioni dalla climatologia, non il vento assoluto espresso esclusivamente attraverso i colori.

La presenza simultanea di una WQBO tropicale e di un vortice boreale debole nel pannello (a) possiede inoltre un importante significato metodologico. Nella climatologia osservata l’effetto Holton–Tan tende ad associare più frequentemente la fase orientale della QBO a un vortice boreale relativamente debole e la fase occidentale a un vortice più forte. Tuttavia, si tratta di una relazione statistica e non deterministica. Lo stesso fatto che Yu et al. possano costruire compositi WQBO-vortice debole ed EQBO-vortice forte dimostra che la fase della QBO modifica la probabilità di uno stato del vortice, ma non ne determina univocamente l’evoluzione. Anstey e Shepherd hanno sottolineato che la relazione QBO-vortice varia con la stagione, con il livello verticale utilizzato per identificare la fase della QBO e con l’interazione di altre sorgenti di variabilità atmosferica, compresi ENSO e ciclo solare. Royal Meteorological Society (RMetS)

Il pannello (b), caratterizzato da BSPV debole ed EQBO, conserva la forte anomalia negativa alle alte latitudini boreali, ma la sua intensità risulta generalmente inferiore a quella osservata nel caso WQBO-vortice debole. Nel testo dello studio gli autori indicano che l’anomalia negativa dei venti occidentali boreali rimane entro circa 20 m s⁻¹. Il segnale equatoriale cambia invece radicalmente: nella stratosfera tropicale inferiore compare una marcata anomalia negativa, espressione della fase orientale della QBO, mentre più in alto appare una fascia di segno opposto. Questa struttura verticale è essenziale per comprendere la dinamica della QBO: l’oscillazione non consiste in un’unica fascia di vento che modifica simultaneamente tutta la colonna tropicale, ma in regimi orientali e occidentali verticalmente sovrapposti che discendono lentamente nel tempo. DOI

La capacità di queste fasce di vento di modificare la circolazione extratropicale dipende proprio dalla loro struttura verticale. Il meccanismo Holton–Tan nella sua formulazione originaria poneva particolare enfasi sulla possibilità che il vento equatoriale alterasse le superfici critiche e quindi la propagazione meridionale delle onde planetarie. Tuttavia, lavori successivi hanno mostrato che il meccanismo è probabilmente più articolato. Garfinkel et al., attraverso esperimenti con WACCM, hanno evidenziato che la risposta del vortice non può essere spiegata unicamente mediante lo spostamento di una linea critica: la circolazione meridiana secondaria associata alla QBO e le modificazioni del vento subtropicale possono contribuire in modo sostanziale alla risposta polare. American Meteorological Society Journals Watson e collaboratori hanno analogamente sottolineato che la differenza composita fra QBO orientale e occidentale assomiglia fortemente alla struttura del modo anulare stratosferico, mostrando quanto la risposta del vortice possa coinvolgere la dinamica interna del sistema polare e non una semplice trasmissione lineare del segnale equatoriale. American Meteorological Society Journals

Un risultato particolarmente interessante del pannello (b) riguarda l’emisfero meridionale. Nella bassa stratosfera australe alle alte latitudini si manifesta un’anomalia di vento orientale che, secondo Yu et al., corrisponde a un’estensione anomala verso la regione polare della fascia dei venti orientali tipica della stratosfera estiva australe. Il segnale indica che la combinazione tra EQBO e vortice boreale debole non rimane confinata né ai Tropici né all’emisfero settentrionale. La risposta possiede una struttura interemisferica, coerente con la natura globale della circolazione stratosferica e della BDC. DOI

Questo aspetto risulta particolarmente importante alla luce delle conoscenze più recenti sulla QBO. Una sintesi pubblicata da Wang, Rao, Ju e Osprey distingue almeno tre grandi vie attraverso cui la QBO può esercitare effetti extratropicali: una via che coinvolge il vortice polare stratosferico, una associata alla propagazione verso il basso e verso i subtropici delle anomalie di vento zonale e una collegata alla convezione tropicale. Ciò rafforza l’interpretazione secondo cui le anomalie illustrate nella Figura 2 non devono essere viste come un semplice collegamento locale Equatore-Polo Nord, ma come parte di una riorganizzazione più ampia della circolazione globale. climate.ox.ac.uk

Il pannello (c), corrispondente alla combinazione BSPV forte e WQBO, mostra una configurazione quasi speculare a quella del pannello (a) nelle regioni boreali. Alle medie e alte latitudini dell’emisfero settentrionale compaiono infatti estese anomalie positive del vento zonale, particolarmente evidenti nella stratosfera media e superiore. Poiché in inverno queste regioni sono climatologicamente dominate da venti occidentali, le anomalie positive rappresentano un ulteriore rafforzamento del jet polare e quindi un BSPV più intenso. La vasta estensione verticale del segnale indica che lo stato del vortice coinvolge una parte consistente della colonna stratosferica e non rappresenta una perturbazione confinata a un singolo livello.

È precisamente questa estensione verticale a rendere dinamicamente importante il vortice per la successiva analisi della Brewer–Dobson circulation. Il campo di vento medio determina infatti l’indice di rifrazione delle onde planetarie, la posizione delle superfici critiche e il filtraggio delle onde di gravità. Cambiare l’intensità del BSPV significa quindi cambiare l’ambiente nel quale le perturbazioni provenienti dalla troposfera e quelle che si propagano verso la mesosfera devono muoversi. Il vortice non è, in questa prospettiva, soltanto il risultato del forcing delle onde; agisce contemporaneamente come una condizione di fondo che ne controlla la propagazione successiva. È proprio questa retroazione onda-flusso medio a rendere la dinamica stratosferica fortemente non lineare.

Il pannello (c) mostra inoltre ancora una volta l’anomalia positiva della WQBO nella bassa e media stratosfera tropicale. La stessa fase tropicale presente nel pannello (a) è quindi associata in un caso a un vortice debole e nell’altro a un vortice forte. Questa comparazione è uno dei maggiori punti di forza dell’impostazione di Yu et al.: consente di chiedersi quali differenze della BDC siano legate direttamente alla fase della QBO e quali invece dipendano dallo stato del vortice. Se ci si limitasse a confrontare tutti gli anni WQBO con tutti gli anni EQBO, una parte del segnale attribuito alla QBO potrebbe essere in realtà dovuta alla diversa frequenza di vortici forti e deboli nelle due categorie.

Il lavoro di Rao e Garfinkel sui modelli CMIP5 e CMIP6 fornisce un supporto particolarmente utile a questa interpretazione. Analizzando sedici modelli capaci di produrre una QBO spontanea, gli autori hanno mostrato che la relazione Holton–Tan può essere riprodotta quando i modelli simulano adeguatamente la QBO e che durante gli inverni EQBO tende a manifestarsi una maggiore convergenza dell’attività ondulatoria planetaria nella stratosfera polare. Essi identificano inoltre una struttura di divergenza/convergenza del flusso di Eliassen–Palm nella stratosfera superiore delle medie latitudini, collegata alla circolazione meridiano-verticale direttamente associata alla QBO. Ciò rafforza l’idea che il collegamento tra Tropici e vortice polare passi attraverso una riorganizzazione tridimensionale dell’attività ondulatoria e non attraverso un singolo meccanismo locale. American Meteorological Society Journals

Il pannello (d), BSPV forte ed EQBO, completa il quadro mostrando che un vortice forte può manifestarsi anche durante la fase orientale della QBO. Le anomalie positive alle medie e alte latitudini boreali indicano venti occidentali più forti rispetto alla climatologia, mentre la stratosfera tropicale mostra il caratteristico segnale orientale nella parte inferiore e un’anomalia di segno opposto alle quote sovrastanti. Il confronto con il pannello (b), che presenta la stessa fase EQBO ma un vortice debole, permette quindi di isolare visivamente la differenza associata principalmente allo stato del BSPV.

Un elemento significativo è che, nella configurazione EQBO-vortice forte, le anomalie della stratosfera australe risultano meno marcate rispetto al caso EQBO-vortice debole. La risposta dell’emisfero meridionale non dipende dunque semplicemente dalla fase della QBO considerata isolatamente. È la combinazione tra QBO e stato del vortice boreale a determinare la struttura finale dell’anomalia. Questo risultato anticipa direttamente una delle conclusioni principali dello studio di Yu et al.: sotto condizioni di BSPV forte l’influenza della QBO sulla BDC stratosferica subpolare australe risulta particolarmente evidente e la relazione tra le anomalie dei due emisferi cambia in funzione della fase QBO. DOI

La Figura 2 permette inoltre di distinguere due geometrie fondamentali della variabilità. Le anomalie associate alla QBO presentano una struttura prevalentemente tropicale e fortemente stratificata verticalmente, mentre quelle associate al vortice polare sono massime alle medie e alte latitudini boreali e occupano uno spessore verticale notevole. Fra queste due regioni si trova la stratosfera subtropicale, che costituisce una sorta di zona dinamica di connessione: proprio qui le modificazioni del vento associate alla QBO possono alterare il waveguide delle onde di Rossby e influenzare quanta attività ondulatoria venga rifratta verso il vortice.

Questo è uno dei punti centrali della teoria Holton–Tan. In condizioni EQBO, la modifica del vento subtropicale tende climatologicamente a favorire una maggiore influenza delle onde planetarie sulla stratosfera polare, con conseguente maggiore decelerazione dei venti occidentali e un vortice statisticamente più debole. Durante WQBO la configurazione media tende a essere opposta. Tuttavia, la revisione di Anstey e Shepherd e gli esperimenti modellistici successivi mostrano che l’intensità e persino alcune caratteristiche verticali di questa risposta dipendono sensibilmente dallo stato atmosferico di fondo. Royal Meteorological Society (RMetS) È quindi più corretto parlare di una modulazione delle probabilità e del percorso delle onde piuttosto che di una relazione causale rigida nella quale EQBO debba necessariamente produrre un vortice debole.

La Figura 2 assume un significato ancora maggiore quando viene collegata al ruolo delle onde di gravità. La loro propagazione verticale dipende fortemente dal vento di fondo: le componenti dello spettro la cui velocità di fase si avvicina al vento ambientale possono incontrare livelli critici, essere assorbite o rompersi, mentre altre componenti possono attraversare la stratosfera e raggiungere la mesosfera. Di conseguenza, le grandi differenze di vento tra i quattro pannelli implicano inevitabilmente differenti condizioni di filtraggio delle onde di gravità. Un vortice boreale forte, caratterizzato da venti occidentali più intensi, seleziona uno spettro differente rispetto a un vortice debole; analogamente, le fasce orientali e occidentali della QBO filtrano in modo selettivo le onde tropicali. Questo fornisce la base dinamica per comprendere perché, nelle sezioni successive dello studio, la circolazione mesosferica e il contributo delle gravity waves alla BDC cambino tra le quattro configurazioni.

La QBO stessa è un esempio emblematico di questa interazione tra onde e flusso medio. La moderna letteratura considera l’oscillazione il risultato dell’interazione fra un ampio spettro di onde equatoriali e i venti zonali stratosferici; contemporaneamente, una volta formate, le fasce di vento QBO modificano selettivamente la propagazione delle onde successive. La revisione di Anstey et al. evidenzia che le incertezze nella rappresentazione dei flussi di momento delle onde di gravità costituiscono ancora una delle principali difficoltà nella simulazione della QBO, soprattutto nella bassa stratosfera. Nature Le anomalie tropicali della Figura 2 non devono quindi essere interpretate come semplici condizioni imposte, ma come elementi di un sistema nel quale l’interazione onda-flusso controlla continuamente l’evoluzione della circolazione.

La significatività statistica indicata dai puntini neri e verdi aggiunge un’ulteriore informazione. Le regioni molto estese di significatività alle alte latitudini boreali confermano che la classificazione in BSPV forte e debole produce differenze robuste del vento zonale, mentre le aree significative nella fascia equatoriale dimostrano che la separazione WQBO/EQBO è chiaramente riconoscibile nella simulazione. Le differenze di significatività nell’emisfero australe indicano invece che la risposta remota è più variabile e dipendente dalla combinazione dei due fattori. Il fatto che non ogni area colorata sia statisticamente significativa è importante: impedisce di interpretare ogni piccola anomalia della figura come una risposta fisica robusta.

La presenza di combinazioni apparentemente “non canoniche”, come WQBO con vortice debole ed EQBO con vortice forte, assume un interesse ulteriore alla luce della variabilità naturale della QBO. Gli eventi di interruzione dell’oscillazione osservati nel 2015–2016 e nel 2019–2020 hanno mostrato quanto la dinamica equatoriale possa essere influenzata da onde provenienti dalle regioni extratropicali. Una revisione del 2023 ha evidenziato che entrambi gli episodi furono associati a un’attività insolitamente intensa di onde di Rossby extratropicali e onde equatoriali in condizioni di fondo occidentali. ScienceDirect Anche questo risultato sottolinea che la relazione tra QBO ed extratropici è bidirezionale: non soltanto la QBO influenza il vortice, ma la dinamica extratropicale può a sua volta perturbare l’evoluzione della QBO.

Da questo punto di vista, la Figura 2 è un’efficace rappresentazione della natura accoppiata della stratosfera. Non esiste una netta separazione fra una dinamica tropicale governata dalla QBO e una dinamica polare governata dal vortice: fra le due regioni agiscono propagazione delle onde, circolazioni secondarie e feedback sul vento medio. Un cambiamento dei venti equatoriali modifica le condizioni di propagazione; la diversa attività ondulatoria modifica il vortice; il vortice alterato modifica a sua volta il waveguide delle onde planetarie e il filtraggio delle onde di gravità; queste ultime depositano quantità di moto nella stratosfera superiore e nella mesosfera, contribuendo alla circolazione residua.

È proprio per questa ragione che la Figura 2 costituisce il collegamento essenziale fra la Figura 1 e le successive analisi della BDC. La Figura 1 ha mostrato che, alle medie e alte latitudini, la funzione di corrente associata alla dissipazione di onde planetarie e di gravità riesce a riprodurre in buona misura la circolazione residua. La Figura 2 mostra ora che il campo di vento entro il quale quelle onde si propagano cambia radicalmente tra le quattro configurazioni QBO–BSPV. Il passaggio successivo diventa quindi inevitabile: verificare come cambino il flusso di Eliassen–Palm, il gravity-wave drag e la corrispondente funzione di corrente.

Le implicazioni riguardano direttamente la Brewer–Dobson circulation. In una stratosfera dominata da un vortice debole, un maggiore forcing planetario può essere associato a una maggiore decelerazione dei venti occidentali e a una circolazione residua più intensa in determinate regioni. In condizioni di vortice forte, viceversa, la propagazione e dissipazione delle onde può assumere una configurazione differente. La QBO sovrappone a tale struttura una modulazione verticale che, secondo i risultati complessivi di Yu et al., arriva a determinare la quota alla quale si colloca il centro dell’anomalia della branca discendente della BDC: più in alto durante WQBO e più in basso durante EQBO. DOI La Figura 2 rappresenta quindi il campo di vento che precede e condiziona questa diversa organizzazione verticale della circolazione.

Il risultato è coerente con la moderna concezione della QBO come sorgente di prevedibilità ma non come controllo deterministico della circolazione extratropicale. La sintesi di Wang et al. del 2024 sottolinea che l’oscillazione può influenzare entrambi gli emisferi attraverso percorsi dinamici diversi e rappresenta una fonte potenzialmente importante di informazione per le previsioni subseasonal-to-seasonal. climate.ox.ac.uk La Figura 2 di Yu et al. mostra però perché sfruttare tale prevedibilità sia complesso: la stessa fase della QBO può coesistere con stati molto diversi del vortice, e il segnale atmosferico finale dipende dall’interazione fra più componenti della circolazione.

Nel complesso, i quattro pannelli mostrano dunque una riorganizzazione coerente ma profondamente tridimensionale della media atmosfera. I casi di BSPV debole sono contraddistinti da anomalie negative dei venti zonali alle alte latitudini boreali, mentre quelli di BSPV forte presentano anomalie positive; la WQBO introduce una fascia occidentale nella stratosfera tropicale inferiore e la EQBO una fascia orientale; la struttura verticale della QBO modifica il collegamento subtropicale; e le anomalie australi dimostrano che la risposta possiede una dimensione interemisferica. Yu et al. utilizzano quindi la Figura 2 non semplicemente per confermare di aver selezionato correttamente quattro categorie di circolazione, ma per mostrare che ciascuna di esse costituisce un ambiente dinamico distinto per la propagazione delle onde planetarie e delle onde di gravità. DOI

La conclusione più importante è che QBO e vortice polare devono essere considerati come componenti interagenti di uno stesso sistema onda–flusso medio. Il vortice determina parte dell’ambiente extratropicale attraverso cui propagano le onde; la QBO modifica il waveguide tropicale e subtropicale; le onde trasportano quantità di moto fra regioni e quote differenti; la loro dissipazione modifica nuovamente i venti e sostiene la Brewer–Dobson circulation. La Figura 2 fornisce così la fotografia dinamica iniziale delle quattro configurazioni sulle quali si costruisce il resto dello studio: mostra che cambiare contemporaneamente la fase della QBO e l’intensità del BSPV significa modificare l’intera architettura verticale della stratosfera e della mesosfera e, di conseguenza, le condizioni attraverso le quali vengono guidate le anomalie della circolazione di Brewer–Dobson.

Figura 3 – Il forcing delle onde planetarie e delle onde di gravità nella circolazione di Brewer–Dobson dalla stratosfera alla mesosfera

La Figura 3 dello studio di Yu et al. (2025) costituisce uno dei passaggi più importanti per comprendere la struttura dinamica della circolazione di Brewer–Dobson, perché consente di distinguere direttamente i due principali contributi ondulatori che agiscono sulla media atmosfera durante il quadrimestre NDJF, da novembre a febbraio. Nel pannello (a) viene rappresentata la divergenza del flusso di Eliassen–Palm associato alle onde planetarie, mentre nel pannello (b) è mostrato il gradiente verticale del flusso di momento delle onde di gravità; in entrambi i pannelli le linee di contorno descrivono il vento zonale medio climatologico. La figura permette quindi di confrontare non soltanto l’intensità dei due differenti forcing, ma soprattutto la loro distribuzione latitudinale e verticale, mostrando con notevole chiarezza come la dinamica della stratosfera e quella della mesosfera siano sostenute da tipologie di onde differenti ma strettamente collegate. Nel quadro complessivo dello studio, questo confronto fornisce la climatologia dinamica di riferimento sulla quale vengono successivamente interpretate le anomalie associate alle differenti combinazioni tra QBO e vortice polare stratosferico boreale. Earth and Planetary Physics

L’importanza della Figura 3 può essere compresa soltanto ricordando che la Brewer–Dobson circulation non è una circolazione meridiana indipendente dal campo delle onde atmosferiche. La concezione moderna della BDC è quella di una circolazione prevalentemente wave-driven, nella quale la propagazione, la dissipazione e la rottura delle onde trasferiscono momento al flusso zonale medio, costringendo l’atmosfera a sviluppare una circolazione meridiano-verticale compensatrice. Butchart (2014) descrive questo processo attraverso il concetto di “pompa” delle onde di Rossby: il drag esercitato dalle onde che si propagano verso l’alto dalla troposfera produce un trasporto residuo verso il polo nella stratosfera, accompagnato dalla risalita dell’aria nelle regioni tropicali e dalla discesa alle medie e alte latitudini. La ripartizione quantitativa del forcing tra onde di Rossby risolte e onde di gravità parametrizzate rimane tuttavia una delle principali fonti di incertezza nei modelli climatici e chimico-climatici. Wiley Online Library

Il pannello (a) permette di osservare direttamente il primo elemento di questa “pompa”, ossia l’interazione delle onde planetarie con il flusso medio. La divergenza del flusso di Eliassen–Palm costituisce uno degli strumenti diagnostici più importanti nella dinamica stratosferica. Il flusso E–P sintetizza infatti il trasporto di momento e di calore prodotto dalle perturbazioni e consente di descrivere l’effetto netto delle onde sul vento zonale medio. Nella formulazione TEM adottata nello studio, un valore negativo della divergenza del flusso E–P corrisponde a una convergenza dell’attività ondulatoria e a un forcing verso ovest. In una regione caratterizzata climatologicamente da venti occidentali, come la stratosfera invernale boreale, questo forcing determina una decelerazione del flusso occidentale. Non si tratta quindi semplicemente della presenza di onde, ma della loro capacità di depositare quantità di moto nell’atmosfera circostante.

La caratteristica più evidente del pannello (a) è proprio la vastissima regione di valori negativi che occupa gran parte della stratosfera extratropicale dell’emisfero settentrionale. Durante NDJF l’emisfero boreale si trova nella stagione invernale e il vortice polare stratosferico è caratterizzato da intensi venti occidentali. Questa configurazione permette alle onde planetarie di Rossby generate nella troposfera di propagarsi verticalmente verso la stratosfera. Quando tali onde raggiungono regioni nelle quali vengono assorbite, dissipate o vanno incontro a rottura, il loro flusso E–P converge e viene esercitato un torque diretto verso ovest sul vento medio. Il vasto segnale blu della Figura 3a costituisce pertanto l’impronta dinamica del processo che frena il flusso occidentale stratosferico e sostiene una parte fondamentale della branca profonda della Brewer–Dobson circulation. Yu et al. evidenziano infatti che la divergenza media del flusso delle onde planetarie nella stratosfera extratropicale è prevalentemente negativa e che il forcing è particolarmente pronunciato nell’emisfero settentrionale. Earth and Planetary Physics

Questa forte asimmetria interemisferica è fisicamente coerente con le differenze stagionali nella propagazione delle onde di Rossby. Le onde planetarie possono propagarsi verso l’alto nella stratosfera soltanto in determinate condizioni del vento zonale, e la stagione invernale è particolarmente favorevole grazie alla presenza dei venti occidentali. Nell’emisfero estivo, invece, la struttura dei venti stratosferici ostacola maggiormente la propagazione verticale delle onde planetarie. Per questo la branca profonda della BDC possiede una marcata stagionalità e tende a essere più intensa nell’emisfero invernale. La stessa revisione di Butchart mostra come la circolazione stratosferica sia sostenuta da una distribuzione fortemente stagionale del drag delle onde e come le onde planetarie costituiscano il principale contributo alla circolazione profonda della stratosfera invernale. Wiley Online Library

A questa asimmetria stagionale si aggiunge una significativa asimmetria geografica fra i due emisferi. L’emisfero settentrionale presenta una maggiore distribuzione longitudinale delle grandi masse continentali e delle catene montuose, che favoriscono la generazione di onde stazionarie su scala planetaria. L’interazione del flusso troposferico con l’orografia, insieme ai contrasti termici continentali-oceanici e alla variabilità dei sistemi meteorologici, produce onde di Rossby capaci di trasportare energia e momento verso la stratosfera. Il risultato è un vortice boreale generalmente molto più perturbato rispetto al vortice australe, soprattutto durante il cuore della stagione invernale. La grande area di convergenza E–P visibile nella Figura 3a costituisce quindi una manifestazione della notevole attività ondulatoria che caratterizza l’inverno boreale.

La risposta della circolazione a questo forcing può essere interpretata attraverso il bilancio del momento zonale. Quando le onde planetarie producono un’accelerazione verso ovest, il flusso medio non può semplicemente rallentare indefinitamente: si sviluppa una circolazione meridiana residua in grado di bilanciare il torque attraverso il trasporto di momento angolare. Questo meccanismo, spesso definito gyroscopic pumping, genera un movimento verso il polo nella stratosfera extratropicale. Per continuità di massa, tale movimento deve essere associato a risalita a latitudini inferiori e discesa alle medie e alte latitudini. Il forcing delle onde planetarie mostrato nella Figura 3a rappresenta quindi la causa dinamica immediata di una parte importante della circolazione stratosferica visualizzata nella precedente Figura 1. Wiley Online Library

La ricerca di Sato e Hirano (2019) costituisce uno dei confronti più importanti per interpretare questo risultato. Utilizzando quattro moderne rianalisi e la stessa impostazione concettuale basata sulla Transformed Eulerian Mean, gli autori hanno mostrato che la circolazione residua della stratosfera è dominata dal forcing delle onde di Rossby, ma che questa descrizione rappresenta soltanto una prima approssimazione. La branca profonda invernale è effettivamente sostenuta principalmente dalle onde planetarie, mentre le onde sinottiche contribuiscono maggiormente alle branche più superficiali; tuttavia, le onde di gravità svolgono un ruolo importante nel determinare l’estensione verso le alte latitudini della circolazione e la posizione delle cosiddette turn-around latitudes. ACP

Questa evidenza rende particolarmente significativo il confronto con il pannello (b). Se il pannello (a) descrive il forcing delle onde di Rossby risolte dal modello, il pannello (b) mostra il contributo delle onde di gravità attraverso il gradiente verticale del loro flusso di momento. Le due strutture presentano differenze profonde. Nella stratosfera, il forcing delle onde di gravità risulta generalmente più debole di quello delle onde planetarie, mentre salendo verso la mesosfera esso diviene molto più intenso e organizzato. La Figura 3 mostra quindi visivamente una transizione verticale fra due regimi dinamici: una stratosfera nella quale il bilancio medio è dominato soprattutto dalle onde di Rossby e una mesosfera nella quale il gravity-wave drag assume un ruolo primario.

Questa transizione costituisce uno dei risultati più consolidati della dinamica della media atmosfera. Fritts e Alexander, nella loro fondamentale revisione delle onde di gravità, hanno mostrato come tali perturbazioni possano essere generate da numerosi processi troposferici, fra cui orografia, convezione, sistemi frontali, jet e instabilità dinamiche. Propagandosi verso l’alto, le onde entrano in un’atmosfera la cui densità diminuisce esponenzialmente; di conseguenza, affinché il loro flusso energetico venga mantenuto, le ampiezze delle perturbazioni tendono ad aumentare. A quote sufficientemente elevate le onde possono raggiungere condizioni di instabilità o saturazione, rompersi e trasferire al flusso medio il momento che trasportavano. È proprio questa deposizione di quantità di moto a produrre il gravity-wave drag che domina ampie regioni della mesosfera. Wiley Online Library

Nel pannello (b), alle alte latitudini della mesosfera boreale compare una vasta regione caratterizzata da forcing negativo. Tale struttura indica un’accelerazione verso ovest esercitata dalle onde di gravità. Durante l’inverno boreale, quando il flusso climatologico è prevalentemente occidentale, questo forcing agisce quindi contro il vento medio e ne riduce l’intensità. Il comportamento è concettualmente simile a quello delle onde planetarie nella stratosfera, ma avviene a quote superiori e coinvolge perturbazioni con scale molto differenti.

Nella mesosfera australe estiva compare invece un’ampia regione di forcing positivo, corrispondente a un’accelerazione verso est. Poiché il flusso medio estivo mesosferico è prevalentemente orientale, anche in questo caso il forcing delle onde tende a opporsi al vento climatologico. Le onde di gravità agiscono quindi come un freno sui grandi jet mesosferici in entrambi gli emisferi, ma il segno del torque cambia in funzione del flusso stagionale e dello spettro di onde che riesce a sopravvivere al filtraggio stratosferico.

Questa opposizione fra forcing nei due emisferi è alla base della grande circolazione mesosferica dal polo estivo verso quello invernale. Il drag delle onde di gravità induce risalita alle alte latitudini dell’emisfero estivo e subsidenza nell’emisfero invernale. Si tratta di un esempio particolarmente notevole di quanto la circolazione reale della media atmosfera possa differire dall’equilibrio puramente radiativo. La risalita estiva produce infatti una forte espansione e un raffreddamento adiabatico dell’aria, mentre la discesa invernale determina compressione e riscaldamento. La revisione di Fritts e Alexander identifica proprio l’influenza delle onde di gravità sulla grande circolazione e sulla struttura termica della media atmosfera come uno dei loro effetti climatici più importanti. Wiley Online Library

La Figura 3 non deve tuttavia essere interpretata come la dimostrazione dell’esistenza di un confine netto tra una “stratosfera delle onde planetarie” e una “mesosfera delle onde di gravità”. Sato e Hirano hanno dimostrato che il contributo delle GW alla BDC stratosferica può essere significativo anche quando il loro apporto alla risalita tropicale complessiva è inferiore a quello delle onde di Rossby. In particolare, le onde di gravità possono estendere verso latitudini più elevate la branca profonda della circolazione e contribuire alla determinazione delle latitudini alle quali cambia il verso della circolazione residua. Tale comportamento è stato riscontrato nelle differenti rianalisi analizzate, pur con differenze quantitative crescenti nella stratosfera superiore. ACP

Anche l’analisi di Diallo, Ern e Ploeger (2021), basata sulla rianalisi ERA5, conferma che sia le onde planetarie sia il gravity-wave drag partecipano al forcing della BDC e che la loro importanza relativa varia con latitudine, quota e stagione. Lo studio ha inoltre evidenziato la modulazione della circolazione da parte di QBO ed ENSO, rafforzando la necessità di interpretare i forcing ondulatori all’interno dello stato dinamico complessivo della stratosfera e non come contributi statici e indipendenti. ACP

È proprio in questo contesto che assume grande importanza il principio del downward control. Haynes et al. (1991) mostrarono teoricamente che, in un’atmosfera extratropicale quasi stazionaria, il flusso di massa diabatico attraverso una determinata superficie può essere controllato dalla distribuzione delle forze zonali esercitate dalle perturbazioni alle quote superiori. Il principio implica quindi che la circolazione a un certo livello non sia determinata esclusivamente dal forcing locale, ma dall’integrazione del torque ondulatorio sovrastante. American Meteorological Society Journals

Questa conseguenza è essenziale per interpretare correttamente il pannello (b). La forte deposizione di momento delle onde di gravità nella mesosfera non deve essere considerata dinamicamente separata dalla stratosfera sottostante. Anche se il massimo del gravity-wave drag si trova a quote mesosferiche, il suo effetto può contribuire alla funzione di corrente residua a livelli inferiori. Il downward control fornisce pertanto il ponte teorico mediante il quale Yu et al. possono includere il forcing delle onde di gravità mesosferiche nella diagnosi delle anomalie stratosferiche della BDC. Lo studio del 2025 sottolinea esplicitamente che trascurare questo contributo può fornire una descrizione incompleta della circolazione e mostra che, nella stratosfera superiore, le anomalie della BDC prodotte dalle onde di gravità possono raggiungere circa la metà dell’intensità delle anomalie prodotte dalle onde planetarie. Earth and Planetary Physics

Questo risultato amplia significativamente la visione tradizionale della Brewer–Dobson circulation. Il contributo dominante delle onde planetarie alla stratosfera boreale rimane pienamente confermato, ma esso non opera isolatamente. Alle quote superiori le onde di gravità possono produrre un forcing di segno differente e quindi compensare parzialmente la risposta associata alle onde planetarie. La BDC osservata o simulata rappresenta pertanto la risultante di più torque ondulatori, non necessariamente concordi. Butchart aveva già evidenziato come i modelli climatici mostrassero una notevole dispersione nella ripartizione della circolazione fra forcing delle onde risolte e delle onde di gravità parametrizzate, sottolineando la necessità di migliori vincoli osservativi sui flussi di momento delle onde di piccola scala. Wiley Online Library

Un aspetto importante riguarda infatti il modo in cui le onde di gravità sono rappresentate nei modelli. Molte possiedono scale orizzontali troppo piccole per essere risolte direttamente da un modello climatico globale come WACCM5 e devono quindi essere parametrizzate. Ciò significa che il forcing rappresentato nel pannello (b) dipende non soltanto dalla dinamica risolta, ma anche dalle ipotesi utilizzate per descrivere le sorgenti, lo spettro delle velocità di fase, la propagazione, la saturazione e la dissipazione delle onde sub-grid. Fritts e Alexander sottolineano come lo sviluppo delle parametrizzazioni del gravity-wave drag sia stato essenziale per ottenere simulazioni realistiche della media atmosfera, ma anche come la rappresentazione quantitativa dello spettro delle onde rimanga una problematica complessa. Wiley Online Library

Sato e Hirano hanno fornito un’ulteriore dimostrazione di questa incertezza confrontando il contributo potenziale delle onde di gravità derivato dal bilancio dinamico con il forcing parametrizzato presente nelle rianalisi. Le differenze diventano particolarmente rilevanti salendo verso la stratosfera superiore, dove diminuiscono i vincoli osservativi e cresce l’importanza dei processi non risolti. Per questo il contributo quantitativo delle GW mostrato da Yu et al. deve essere interpretato come una proprietà della dinamica prodotta dalla particolare configurazione WACCM5 utilizzata, pur conservando un forte significato fisico per l’identificazione dei meccanismi. ACP

La Figura 3 permette inoltre di comprendere perché la forza del vortice polare stratosferico sia capace di modificare indirettamente la mesosfera. Le linee nere del vento zonale climatologico non sono semplici informazioni aggiuntive: descrivono l’ambiente attraverso il quale le onde devono propagarsi. Per le onde planetarie, la struttura del vento controlla l’indice di rifrazione e le regioni nelle quali le onde possono propagarsi, riflettersi o essere assorbite. Per le onde di gravità, il vento agisce come filtro selettivo dello spettro. Onde caratterizzate da determinate velocità di fase possono incontrare un livello critico ed essere assorbite nella stratosfera, mentre altre riescono a raggiungere la mesosfera.

Di conseguenza, un vortice polare forte e uno debole non modificano soltanto l’intensità del vento boreale, ma cambiano anche quali perturbazioni riescono a propagarsi attraverso la colonna atmosferica. Lo stesso vale per la QBO: l’alternanza di fasce di vento occidentale e orientale nella stratosfera tropicale filtra selettivamente le onde e modifica la loro deposizione di momento. Nel quadro di Yu et al., QBO e BSPV costituiscono quindi due grandi filtri dinamici sovrapposti allo spettro ondulatorio. Le anomalie della Brewer–Dobson circulation studiate successivamente emergono proprio dalla maniera in cui questi filtri riorganizzano il forcing planetario e gravitazionale. Earth and Planetary Physics

Il collegamento con la Figura 2 diventa a questo punto particolarmente chiaro. In quella figura le quattro combinazioni tra WQBO/EQBO e BSPV forte/debole mostravano campi di vento zonale profondamente differenti. La Figura 3 spiega perché tali differenze sono dinamicamente cruciali: modificare il campo di vento significa modificare il percorso delle onde e quindi il luogo e l’intensità con cui esse depositano il proprio momento. Il vento medio è contemporaneamente risultato del forcing passato delle onde e condizione di fondo per la propagazione delle onde successive. Si instaura così un’interazione bidirezionale onda–flusso medio che costituisce una delle caratteristiche fondamentali della dinamica stratosferica.

Anche la connessione con la Figura 1 è diretta. La precedente analisi aveva mostrato che, alle medie e alte latitudini, la funzione di corrente ricostruita dal forcing combinato delle onde planetarie e delle onde di gravità concorda abbastanza bene con quella ottenuta direttamente dalla velocità residua. La Figura 3 identifica ora la distribuzione climatologica dei due contributi che producono quella circolazione. Il grande forcing negativo delle onde planetarie nella stratosfera boreale spiega la robusta branca invernale della BDC, mentre il dipolo emisferico prodotto dalle onde di gravità nella mesosfera sostiene la circolazione estiva-invernale delle quote superiori. Il downward control permette infine di collegare i due regimi. Earth and Planetary Physics

Questo quadro è coerente anche con il problema più generale della compensazione tra forcing risolto e non risolto. La letteratura riportata da Sato e Hirano comprende lavori che hanno dimostrato come cambiamenti del forcing delle onde parametrizzate possano essere accompagnati da risposte delle onde risolte, cosicché la circolazione totale può risultare meno sensibile di quanto suggerirebbe l’analisi di una singola componente. ACP Ciò significa che l’aumento di una determinata famiglia di onde non comporta necessariamente un rafforzamento equivalente della BDC: il sistema atmosferico può riorganizzare le altre componenti del forcing e produrre compensazioni dinamiche.

La struttura della Figura 3 suggerisce precisamente la necessità di questa visione integrata. In alcune regioni le onde planetarie e le onde di gravità producono torque dello stesso segno, rafforzando la risposta complessiva; in altre possono opporsi. Il risultato netto dipende dalla loro distribuzione verticale, dal vento di fondo e dalla stagione. Non è quindi sufficiente affermare che una maggiore “attività ondulatoria” comporti automaticamente una BDC più forte. È necessario identificare quale tipo di onda è coinvolto, dove deposita momento, quale segno possiede il forcing e come esso si integra verticalmente attraverso il downward control.

Questa distinzione assume rilevanza anche per l’interpretazione chimico-climatica della BDC. Cambiamenti della circolazione residua modificano la risalita tropicale, la discesa extratropicale e il trasporto di ozono, vapore acqueo e altri traccianti. Butchart evidenzia che la BDC influenza la distribuzione dell’ozono, i tempi di permanenza delle sostanze ozono-lesive, la temperatura della tropopausa tropicale e lo scambio di massa tra troposfera e stratosfera. Wiley Online Library Di conseguenza, comprendere la ripartizione del forcing tra onde planetarie e gravity waves non rappresenta soltanto una questione di dinamica teorica, ma è fondamentale anche per la capacità dei modelli di simulare correttamente la composizione e il clima stratosferico.

Nel complesso, la Figura 3 può essere interpretata come una rappresentazione sintetica dell’architettura dinamica della media atmosfera. Nella stratosfera invernale boreale il protagonista principale è il forcing delle onde planetarie: la loro convergenza di flusso E–P produce un torque verso ovest, indebolisce il flusso occidentale e sostiene la branca profonda della Brewer–Dobson circulation. Nella mesosfera il ruolo dominante passa invece alle onde di gravità, che frenano i jet climatologici e sostengono una grande circolazione dal polo estivo al polo invernale. Fra queste due regioni non esiste però una separazione dinamica netta, perché il forcing mesosferico può influire sulla circolazione sottostante attraverso il downward control, mentre il vento stratosferico controlla quali onde possano raggiungere la mesosfera. ACP

È proprio questa interdipendenza a costituire il contributo concettuale più rilevante della Figura 3. La Brewer–Dobson circulation non è il prodotto di una singola classe di onde, ma il risultato integrato di processi ondulatori distribuiti su una vasta gamma di scale e quote. Le onde planetarie dominano buona parte del forcing stratosferico; le onde di gravità assumono crescente importanza salendo nella stratosfera e diventano centrali nella mesosfera; lo stato del vortice polare e della QBO modifica continuamente il filtro dinamico attraverso cui entrambe si propagano. Le onde, a loro volta, modificano il vento medio al quale devono successivamente adattarsi. Si crea quindi un sistema di feedback nel quale circolazione, propagazione ondulatoria e stato del vortice non possono essere separati in modo rigido.

In questo senso, la Figura 3 prepara direttamente l’interpretazione dei risultati più originali di Yu et al. (2025). Una volta stabilita la climatologia dei due forcing, gli autori possono analizzare come essi cambino nelle quattro combinazioni QBO–BSPV e comprendere perché le anomalie della BDC assumano strutture differenti. Il risultato complessivo dello studio — secondo cui le onde planetarie governano principalmente le anomalie della BDC boreale, mentre nella stratosfera superiore le onde di gravità possono contrastarne circa la metà dell’effetto, e nella mesosfera diventano il forcing dominante — acquista significato proprio alla luce della distribuzione mostrata in questa figura. Earth and Planetary Physics

La Figura 3 dimostra quindi che, per comprendere realmente la circolazione di Brewer–Dobson, non basta seguire il vento zonale o la funzione di corrente: occorre ricostruire la catena dinamica che collega generazione delle onde, propagazione verticale, filtraggio da parte del flusso medio, dissipazione, trasferimento di quantità di moto e risposta della circolazione residua. È all’interno di questa catena che QBO e vortice polare acquistano il loro significato dinamico. Cambiando il vento di fondo, essi cambiano le onde; cambiando le onde, modificano la deposizione di momento; cambiando il forcing ondulatorio, riorganizzano la Brewer–Dobson circulation. La distinzione tra pannello (a) e pannello (b) rende visibile proprio questo sistema: una media atmosfera nella quale onde planetarie e onde di gravità dominano quote differenti, ma rimangono integrate in una singola circolazione verticale globale attraverso l’interazione onda–flusso medio e il principio del downward control.

3.2 Anomalie del forcing delle onde planetarie e delle onde di gravità sulla circolazione di Brewer–Dobson nelle differenti combinazioni di BSPV e QBO

L’analisi delle anomalie del forcing ondulatorio nelle differenti combinazioni tra stato del vortice polare stratosferico boreale e fase della Quasi-Biennial Oscillation rappresenta uno degli aspetti più innovativi dello studio di Yu et al. (2025), perché consente di passare da una descrizione puramente climatologica della Brewer–Dobson circulation a una interpretazione dinamica della sua variabilità. Dopo aver dimostrato che, alle medie e alte latitudini, la funzione di corrente residua può essere ricostruita in maniera soddisfacente attraverso il forcing combinato delle onde planetarie e delle onde di gravità, gli autori analizzano come tale forcing venga riorganizzato quando il vortice polare boreale assume uno stato forte o debole e quando, contemporaneamente, la QBO si trova nella fase occidentale o orientale. Il risultato principale è che le anomalie delle onde planetarie dell’emisfero settentrionale risultano strettamente legate allo stato del BSPV, mentre nell’emisfero meridionale emerge una dipendenza più articolata dalla combinazione tra QBO e vortice. Le onde di gravità mostrano invece una risposta fortemente condizionata dal filtraggio verticale esercitato dal vento zonale, con anomalie caratteristiche collocate al di sopra e al di sotto del principale centro di anomalia dei venti occidentali polari. Earth and Planetary Physics

Per comprendere il significato di questi risultati è necessario ricordare che il vortice polare e l’attività ondulatoria sono legati attraverso una relazione bidirezionale. Le onde planetarie provenienti dalla troposfera possono propagarsi verso la stratosfera in presenza di condizioni favorevoli del vento zonale; quando dissipano o rompono, trasferiscono quantità di moto al flusso medio, producendo generalmente una decelerazione dei venti occidentali e favorendo una circolazione meridiana residua con subsidenza alle alte latitudini. Allo stesso tempo, però, la struttura del vortice determina le condizioni attraverso cui le onde devono propagarsi. Un vortice forte, un vortice debole o una differente configurazione della QBO modificano l’indice di rifrazione, la posizione dei livelli critici e la geometria del waveguide. La variabilità delle onde non deve quindi essere interpretata come una semplice forzante esterna del vortice, ma come parte di un sistema di interazione onda–flusso medio nel quale forcing e stato atmosferico si influenzano continuamente.

Nel caso caratterizzato da BSPV debole e WQBO, Yu et al. identificano nella stratosfera media e superiore extratropicale dell’emisfero settentrionale un’anomalia di convergenza del flusso di attività delle onde planetarie. Poiché la climatologia della stessa regione presenta già una convergenza del flusso E–P, l’anomalia osservata non modifica il segno del forcing, ma ne rafforza l’intensità. Ciò implica una maggiore deposizione di momento verso ovest e quindi una più intensa decelerazione del flusso occidentale stratosferico. Il risultato è dinamicamente coerente con la presenza di un vortice debole: una maggiore dissipazione delle onde planetarie nella stratosfera polare produce un torque che contrasta il jet occidentale circumpolare e favorisce una circolazione TEM anomala. Earth and Planetary Physics

Questo comportamento è coerente con la concezione generale del vortice polare come sistema fortemente controllato dall’attività delle onde di Rossby. In inverno, un aumento della convergenza del flusso di Eliassen–Palm alle alte latitudini tende a indebolire il vortice attraverso la deposizione di momento e, contemporaneamente, produce una circolazione residua che riscalda dinamicamente la regione polare mediante subsidenza. Studi modellistici con WACCM hanno mostrato come variazioni della propagazione e della convergenza delle onde planetarie nella stratosfera subpolare siano in grado di generare significative modificazioni del vortice e come tali anomalie possano poi propagarsi verso il basso nella stratosfera. Garfinkel et al. (2012), analizzando il meccanismo Holton–Tan con WACCM, mostrarono che un aumento della convergenza del flusso E–P nella stratosfera polare può inizialmente indebolire il vortice alle quote superiori, con successiva estensione della risposta verso la media e bassa stratosfera. American Meteorological Society Journals

Un’anomalia di convergenza simile compare, durante WQBO e BSPV debole, anche nella stratosfera media extratropicale dell’emisfero meridionale. Questo risultato suggerisce una risposta almeno parzialmente sincrona dei due emisferi quando la QBO è occidentale. Il punto è particolarmente significativo perché la BDC è una circolazione globale: una variazione del forcing in un emisfero non può essere considerata completamente separata dal bilancio di massa e dal trasporto nell’altro. Nella configurazione WQBO, Yu et al. trovano infatti che le anomalie ondulatorie australi tendono ad avere lo stesso segno di quelle boreali, mentre la situazione cambia radicalmente durante EQBO. Earth and Planetary Physics

Quando un BSPV debole viene invece combinato con la EQBO, nell’emisfero settentrionale continua a prevalere un’anomalia di convergenza delle onde planetarie, ma questa presenta caratteristiche differenti: è più intensa e il centro del forcing viene spostato verso quote inferiori rispetto al caso WQBO. Il risultato è particolarmente importante perché dimostra che la QBO non controlla semplicemente l’intensità dell’attività ondulatoria, ma può modificarne la struttura verticale. La maggiore convergenza nella stratosfera inferiore accresce il forcing decelerante esercitato sulle correnti occidentali di fondo e contribuisce a spostare verso il basso la risposta della circolazione residua. Earth and Planetary Physics

Questa differenza verticale trova un parallelo nella letteratura sul rapporto QBO–vortice. La relazione Holton–Tan indica che il vortice polare invernale tende statisticamente a essere più debole durante la fase orientale della QBO nella bassa stratosfera e più forte durante la fase occidentale, ma il meccanismo responsabile è più complesso di una semplice dipendenza dal vento equatoriale a un singolo livello. Anstey e Shepherd hanno sottolineato che la risposta dipende dalla struttura verticale della QBO e dalla sua interazione con altre sorgenti di variabilità. Royal Meteorological Society (RMetS) Garfinkel et al. hanno inoltre mostrato che le anomalie meridiane della circolazione secondaria associate alla QBO modificano la propagazione delle onde di Rossby e possono alterare la localizzazione della convergenza del flusso E–P nella stratosfera subpolare. American Meteorological Society Journals

L’idea di una risposta verticale differenziata è particolarmente rilevante per la Brewer–Dobson circulation. Se l’anomalia di convergenza planetaria viene spostata verso la stratosfera inferiore durante EQBO, anche il forcing della circolazione residua tende a concentrarsi maggiormente alle quote inferiori. Questa caratteristica è coerente con il risultato generale dello studio secondo cui il centro dell’anomalia del ramo discendente boreale della BDC si trova più in basso durante EQBO e più in alto durante WQBO. Il legame tra posizione verticale del forcing e posizione della risposta residua costituisce quindi uno dei fili conduttori dell’intero lavoro. Earth and Planetary Physics

La situazione nell’emisfero meridionale durante EQBO è invece quasi opposta. In presenza di BSPV debole, le anomalie di divergenza del flusso di attività planetaria interessano gran parte della stratosfera extratropicale australe. Poiché la climatologia presenta in quelle regioni una convergenza del forcing, l’anomalia positiva tende a indebolire il contributo climatologico delle onde. Ciò significa che, mentre nell’emisfero nord le onde planetarie intensificano la loro azione decelerante, nell’emisfero sud la loro capacità di sostenere la circolazione residua viene ridotta. Yu et al. interpretano questo comportamento come una relazione di opposizione di fase fra le anomalie ondulatorie dei due emisferi durante EQBO. Earth and Planetary Physics

Questo risultato evidenzia che la QBO possiede una vera dimensione interemisferica. Non agisce semplicemente modificando il vortice boreale, ma riorganizza la propagazione ondulatoria tropicale, subtropicale ed extratropicale in modo tale che la risposta dell’emisfero australe possa assumere segno differente. La letteratura sulla teleconnessione QBO–vortice ha progressivamente superato il semplice paradigma della “linea critica equatoriale”. Nakamura et al. (2020), ad esempio, discutono diversi meccanismi in grado di connettere la QBO tropicale alla variabilità polare, compresi cambiamenti della circolazione meridiana stratosferica, dell’indice di rifrazione delle onde e persino un percorso troposferico attraverso modificazioni della convezione tropicale e delle onde di Rossby. ACP Tale complessità aiuta a comprendere perché l’effetto della QBO sull’emisfero meridionale possa differire sostanzialmente da quello osservato a nord.

Quando il BSPV è forte, il comportamento delle onde planetarie boreali cambia nettamente. Sia durante WQBO sia durante EQBO, la stratosfera extratropicale dell’emisfero settentrionale presenta anomalie di divergenza del flusso di attività planetaria. Poiché la climatologia è caratterizzata da convergenza, queste anomalie riducono il forcing decelerante esercitato dalle onde. Il risultato è coerente con il mantenimento di venti occidentali più intensi e quindi con uno stato di vortice forte. In termini semplici, nel caso di BSPV debole la dissipazione planetaria climatologica viene rafforzata; nel caso di BSPV forte viene invece ridotta. Earth and Planetary Physics

Da questo punto di vista, le anomalie boreali sembrano essere maggiormente connesse allo stato del vortice che alla fase della QBO. Questa è una delle conclusioni più importanti della sezione: nel nord, il segno principale del forcing planetario segue soprattutto la distinzione tra BSPV debole e forte. La QBO interviene maggiormente nel determinare la quota e l’intensità della risposta, piuttosto che invertire il segno generale imposto dal vortice. Ciò suggerisce che la dinamica del BSPV costituisca il controllo di primo ordine dell’attività planetaria alle alte latitudini boreali, mentre la QBO ne modula la configurazione verticale.

Nel caso dell’emisfero australe, invece, la dipendenza dal BSPV e dalla QBO è più equilibrata. Durante un vortice boreale forte e WQBO, nella stratosfera australe prevalgono anomalie di divergenza che indeboliscono il forcing climatologico. Durante EQBO si osserva il segno opposto. Ne deriva una struttura nella quale WQBO tende a produrre anomalie sincrone tra i due emisferi, mentre EQBO tende a generare una risposta antisimmetrica. Earth and Planetary Physics Questa differenza rappresenta probabilmente uno dei motivi per cui gli autori concludono che l’influenza della QBO sulla BDC subpolare dell’emisfero meridionale è particolarmente evidente in condizioni di vortice boreale forte. Earth and Planetary Physics

La seconda metà della sezione riguarda il forcing delle onde di gravità, che presenta caratteristiche profondamente differenti da quello delle onde planetarie. La loro distribuzione climatologica possiede due principali regioni di dissipazione: una nella stratosfera e una nella mesosfera. Di conseguenza, anche i centri delle anomalie associate alle differenti combinazioni QBO–BSPV tendono a comparire in prossimità di queste due regioni. La struttura non è casuale: le onde di gravità vengono filtrate dal vento zonale lungo il percorso verticale e la loro capacità di raggiungere determinate quote dipende criticamente dalla relazione tra velocità di fase dell’onda e vento ambientale.

Fritts e Alexander hanno mostrato come la propagazione delle onde di gravità nella media atmosfera sia fortemente controllata dalla struttura del vento e della stabilità atmosferica. Man mano che un’onda sale in un’atmosfera a densità decrescente, la sua ampiezza aumenta; se incontra un livello critico oppure raggiunge condizioni di saturazione o instabilità, può dissiparsi e depositare momento. Il risultato è un forcing capace di modificare significativamente la circolazione e la struttura termica della stratosfera e soprattutto della mesosfera. AGU Journals

Durante un BSPV debole, Yu et al. individuano nella mesosfera boreale una significativa anomalia di divergenza del flusso di momento delle onde di gravità. Poiché la climatologia invernale boreale presenta in quella regione una forte convergenza, l’anomalia tende a indebolire il gravity-wave drag climatologico. In altre parole, la capacità delle GW di esercitare un forcing verso ovest nella mesosfera risulta ridotta. Contemporaneamente, nella stratosfera medio-inferiore delle medie e alte latitudini boreali compare un’anomalia di convergenza. Earth and Planetary Physics

Questa disposizione verticale di anomalie di segno opposto è particolarmente importante. Il massimo dell’anomalia del vento zonale associato allo stato del vortice si trova, secondo gli autori, approssimativamente attorno a 70°N e 1 hPa. Al di sopra e al di sotto di questo massimo si sviluppano anomalie del gravity-wave momentum flux di segno opposto. Ciò è coerente con il concetto di filtraggio selettivo: modificando il profilo verticale del vento, il vortice cambia quali componenti dello spettro delle onde di gravità possono attraversare la stratosfera e quali vengono assorbite. La perturbazione del vento può quindi spostare verticalmente la regione di deposizione del momento, generando coppie di anomalie opposte sopra e sotto il centro principale del wind anomaly. Earth and Planetary Physics

Osservazioni della regione mesosferica confermano che il filtraggio stagionale del vento rappresenta un controllo fondamentale del gravity-wave forcing. De Wit et al. (2015), analizzando le alte latitudini boreali, hanno mostrato che il forcing delle onde di gravità nella mesopausa tende a essere prevalentemente diretto verso ovest in inverno e verso est in estate, una configurazione interpretata proprio attraverso il filtraggio selettivo esercitato dalla circolazione sottostante. ScienceDirect Questo fornisce un importante supporto fisico alla struttura modellistica ottenuta da Yu et al.

L’intensità delle anomalie delle onde di gravità boreali dipende anche dalla fase della QBO. Durante un vortice debole, sia l’anomalia mesosferica sia quella stratosferica risultano più intense durante WQBO rispetto a EQBO. Questo indica che la QBO modifica non soltanto la propagazione delle onde planetarie, ma anche lo spettro delle gravity waves che riescono ad attraversare la stratosfera. Il risultato è particolarmente plausibile considerando che la QBO stessa è mantenuta dal trasferimento di quantità di moto di differenti tipi di onde e che le sue fasce alternate di vento orientale e occidentale costituiscono filtri estremamente efficaci per la propagazione verticale delle perturbazioni.

Nell’emisfero meridionale, invece, le anomalie delle onde di gravità risultano più marcate durante EQBO. Gli autori individuano nella stratosfera media e superiore extratropicale australe anomalie di divergenza particolarmente pronunciate. Earth and Planetary Physics Anche in questo caso emerge una differenza interemisferica nella sensibilità alla QBO: la fase dell’oscillazione modifica il filtraggio tropicale e subtropicale e può quindi alterare la distribuzione del flusso di momento su scala globale.

Durante un BSPV forte, i centri delle anomalie delle onde di gravità boreali rimangono approssimativamente alle stesse quote e latitudini osservate durante un vortice debole, ma il segno delle anomalie viene invertito. Questo risultato costituisce una delle evidenze più convincenti del ruolo del vento di fondo nel determinare il gravity-wave forcing. Il fatto che la posizione rimanga simile ma il segno cambi suggerisce infatti che la struttura verticale dell’anomalia del vortice agisca come un filtro che modifica sistematicamente la deposizione del momento delle onde.

In un vortice forte, i venti occidentali anomali intorno a 1 hPa modificano la capacità delle componenti occidentali e orientali dello spettro delle GW di attraversare la stratosfera. Alcune vengono assorbite più in basso, mentre altre raggiungono quote superiori. Nel vortice debole il profilo del vento cambia in senso opposto e si modifica di conseguenza lo spettro trasmesso. La risultante è una coppia di anomalie sopra e sotto il massimo del vento, ma di segno opposto tra BSPV forte e debole.

Questa relazione tra vento medio e gravity-wave filtering costituisce un elemento fondamentale della dinamica della media atmosfera. Fritts e Alexander hanno evidenziato come la variazione del vento lungo la verticale alteri continuamente la velocità di fase intrinseca delle onde e quindi la loro stabilità, propagazione e dissipazione. AGU Journals Il processo è inoltre non lineare: il drag delle onde modifica a sua volta il vento di fondo, cambiando le condizioni per la propagazione delle onde successive.

Il ruolo delle GW assume una particolare importanza per la Brewer–Dobson circulation perché la loro influenza non termina nella regione in cui dissipano. Sato e Hirano (2019), utilizzando quattro rianalisi moderne, hanno mostrato che le onde di gravità contribuiscono non soltanto alla circolazione mesosferica ma anche alla struttura della BDC stratosferica, soprattutto alla sua estensione verso le alte latitudini. ACP Tale risultato rafforza la scelta di Yu et al. di non limitarsi all’analisi del forcing planetario.

Il collegamento è reso ancora più forte dal principio del downward control. Se un’anomalia del gravity-wave drag viene prodotta nella mesosfera, essa può contribuire alla circolazione residua stratosferica sottostante. In questo senso, una modifica del filtraggio delle GW causata dal vortice può propagare la propria influenza verso il basso. È precisamente attraverso questo meccanismo che le anomalie mesosferiche analizzate nella sezione 3.2 diventano rilevanti per la BDC stratosferica e non rappresentano semplicemente una caratteristica separata della mesosfera.

Il confronto tra onde planetarie e onde di gravità mette inoltre in evidenza una differenza fondamentale nel modo in cui i due sistemi rispondono alla combinazione QBO–BSPV. Le onde planetarie boreali sembrano seguire soprattutto lo stato del vortice: maggiore dissipazione in condizioni di BSPV debole, minore dissipazione con BSPV forte. Le onde di gravità mostrano invece una struttura anomala più direttamente collegata al gradiente verticale del vento e quindi alla posizione del massimo dell’anomalia zonale. La QBO interviene su entrambi i sistemi, ma agisce attraverso meccanismi differenti: modifica la rifrazione e la propagazione delle onde di Rossby e, contemporaneamente, filtra selettivamente le diverse componenti dello spettro delle onde di gravità.

Il risultato rafforza l’idea che la QBO debba essere interpretata come una riorganizzazione tridimensionale della dinamica stratosferica. Anstey e Shepherd sottolineano che la sua influenza alle alte latitudini coinvolge modificazioni della propagazione delle onde e del vortice che dipendono dalla struttura verticale dell’oscillazione e dallo stato atmosferico di fondo. Royal Meteorological Society (RMetS) Studi più recenti hanno inoltre mostrato che l’influenza della QBO sulla circolazione boreale può seguire differenti percorsi dinamici e che pochi modelli riescono a riprodurli tutti simultaneamente, a conferma della complessità del problema. American Meteorological Society Journals

La sezione 3.2 assume così un ruolo essenziale nell’architettura logica dello studio. La Figura 2 aveva mostrato quattro differenti stati del vento zonale; la Figura 3 aveva illustrato la climatologia del forcing planetario e delle onde di gravità; le Figure 4 e 5, discusse in questa sezione, mostrano come quelle sorgenti di forcing cambino quando lo stato del vento viene perturbato. La sequenza causale diventa quindi particolarmente chiara: QBO e vortice modificano il vento di fondo; il vento modifica propagazione, rifrazione e filtraggio delle onde; le onde modificano il proprio luogo di dissipazione; la conseguente variazione della deposizione di momento cambia la circolazione residua.

È importante sottolineare che questo schema non implica una causalità rigidamente unidirezionale. Lo stato del vortice è esso stesso in larga misura il prodotto della storia precedente del forcing planetario. Quando Yu et al. distinguono un vortice forte da uno debole e ne analizzano l’attività ondulatoria, stanno quindi osservando differenti fasi di un sistema accoppiato nel quale le onde hanno contribuito a creare il vortice che successivamente ne regola la propagazione. Garfinkel et al. hanno mostrato come le anomalie del vento indotte dalle onde possano spostare a loro volta le regioni di convergenza ondulatoria, generando feedback che rendono la risposta complessiva soltanto quasi lineare. American Meteorological Society Journals

Questo punto è essenziale anche quando si confrontano QBO e vortice. La relazione Holton–Tan implica che la fase della QBO modifica statisticamente la forza del vortice, ma la presenza nel campione di WQBO con BSPV debole e di EQBO con BSPV forte dimostra che la QBO non determina da sola il risultato finale. L’attività troposferica delle onde, ENSO, la variabilità interna e altre condizioni atmosferiche possono modificare sostanzialmente la risposta. Anstey e Shepherd insistono proprio sul carattere probabilistico e multicausale di questa teleconnessione. Royal Meteorological Society (RMetS)

Da un punto di vista della circolazione di Brewer–Dobson, la conseguenza finale è particolarmente interessante. La BDC non risponde soltanto alla quantità complessiva di attività ondulatoria, ma alla distribuzione verticale, latitudinale e al segno del forcing. Un’anomalia di convergenza planetaria nella stratosfera superiore produce una risposta diversa da una convergenza spostata nella stratosfera inferiore; analogamente, una divergenza anomala delle onde di gravità nella mesosfera può indebolire la circolazione climatologica anche se nella stratosfera sottostante compare contemporaneamente una convergenza. È questa distribuzione verticale che determina la posizione del centro anomalo dei rami ascendenti e discendenti.

La sezione 3.2 prepara quindi direttamente uno dei risultati più rilevanti dell’intero articolo: le anomalie della BDC boreale sono principalmente controllate dalle onde planetarie, ma nella stratosfera superiore le onde di gravità possono esercitare un contributo opposto di intensità pari a circa metà di quello planetario. Earth and Planetary Physics Il risultato non implica che le GW “annullino” sistematicamente metà della circolazione, ma che nelle anomalie considerate il loro contributo dinamico può essere sufficientemente forte da compensare una frazione sostanziale della risposta prodotta dalle onde planetarie.

Questo amplia significativamente il quadro fornito dagli studi precedenti. Sato e Hirano avevano già mostrato che le GW sono importanti per la geometria della BDC e che ignorarne il contributo porta a una rappresentazione incompleta della circolazione. ACP Yu et al. compiono un ulteriore passo, mostrando che tale contributo cambia sistematicamente con lo stato del vortice e della QBO e può assumere un ruolo quantitativamente importante nella variabilità della stratosfera superiore.

Le implicazioni interessano anche l’interpretazione della prevedibilità stratosferica. Se la QBO modifica la quota alla quale le onde planetarie dissipano e, contemporaneamente, il modo in cui le onde di gravità vengono filtrate, una corretta rappresentazione di entrambe le categorie di onde diventa indispensabile affinché i modelli possano simulare realisticamente la risposta del vortice e della BDC. Studi CMIP hanno mostrato che la capacità dei modelli di riprodurre l’influenza della QBO sul vortice e sulla troposfera varia considerevolmente e dipende dalla qualità con cui vengono rappresentate le diverse vie dinamiche. American Meteorological Society Journals

Nel complesso, la sezione 3.2 fornisce una rappresentazione della BDC come risultato di una competizione dinamica fra forcing differenti. Durante un BSPV debole, l’attività delle onde planetarie boreali viene intensificata e tende a rafforzare la decelerazione dei venti occidentali; durante un BSPV forte la dissipazione planetaria risulta ridotta. La QBO modifica principalmente la quota del forcing boreale e controlla in maniera più marcata la risposta dell’emisfero australe. Le onde di gravità reagiscono invece alla modifica del profilo verticale dei venti, producendo centri anomali di segno opposto al di sopra e al di sotto del massimo dell’anomalia del vortice. La WQBO tende a intensificare le anomalie delle GW nell’emisfero settentrionale, mentre la EQBO produce una risposta più pronunciata nell’emisfero meridionale. Earth and Planetary Physics

Ne emerge una visione della media atmosfera nella quale non è possibile separare rigidamente QBO, vortice polare, onde planetarie e onde di gravità. Il BSPV regola la propagazione delle onde, ma viene modificato dalle onde stesse; la QBO altera il waveguide planetario e il filtro delle GW; il forcing ondulatorio determina la circolazione residua; e la BDC modifica a sua volta temperatura e vento, cambiando le condizioni per la propagazione successiva. La sezione 3.2 mostra quindi con particolare efficacia che le anomalie della Brewer–Dobson circulation non sono la risposta a una singola forzante, ma il risultato integrato di una rete di interazioni verticali e interemisferiche. È precisamente questa rete a spiegare perché la fase della QBO controlli la posizione verticale del ramo discendente, perché il vortice polare governi gran parte delle anomalie planetarie boreali e perché le onde di gravità, pur essendo massimamente attive nella mesosfera, possano esercitare un’influenza sostanziale anche sulla circolazione stratosferica.

Figura 4 – Modulazione del forcing delle onde planetarie da parte della QBO e del vortice polare stratosferico boreale

La Figura 4 dello studio di Yu et al. (2025) rappresenta uno dei passaggi più significativi per comprendere in termini dinamici come la circolazione di Brewer–Dobson venga modulata dall’interazione tra la Quasi-Biennial Oscillation e il vortice polare stratosferico boreale. Dopo aver mostrato nella Figura 3 la distribuzione climatologica del forcing associato alle onde planetarie e alle onde di gravità, gli autori analizzano qui specificamente le anomalie della divergenza del flusso di Eliassen–Palm delle onde planetarie nelle quattro configurazioni ottenute combinando un BSPV forte o debole con una WQBO oppure una EQBO. La figura permette quindi di individuare non soltanto dove l’attività ondulatoria aumenta o diminuisce rispetto alla climatologia, ma soprattutto dove cambia l’efficienza con cui le onde planetarie trasferiscono quantità di moto al flusso zonale medio. Tale informazione è essenziale perché la dissipazione delle onde di Rossby costituisce uno dei principali meccanismi che sostengono la Brewer–Dobson circulation nella stratosfera. Yu et al. mostrano complessivamente che le anomalie planetarie boreali sono maggiormente correlate allo stato del vortice polare, mentre nell’emisfero australe la risposta dipende in misura molto più evidente dalla combinazione tra BSPV e QBO. Earth and Planetary Physics

La diagnostica attraverso il flusso di Eliassen–Palm assume un significato particolarmente importante in questo contesto. Il flusso E–P descrive la propagazione dell’attività delle onde di Rossby e la sua divergenza quantifica l’effetto netto delle onde sul vento zonale medio. Nella stratosfera extratropicale invernale, dove la climatologia è caratterizzata in vaste regioni da convergenza del flusso E–P, un’anomalia negativa della divergenza rappresenta un rafforzamento della convergenza e quindi un maggiore forcing diretto verso ovest. In presenza di venti occidentali, tale forcing produce una maggiore decelerazione del jet stratosferico. Al contrario, un’anomalia positiva della divergenza riduce la convergenza climatologica e quindi indebolisce il torque che tende a frenare i venti occidentali. La distinzione è fondamentale: il colore mostrato nella figura rappresenta un’anomalia rispetto alla climatologia e deve pertanto essere interpretato insieme alle linee di contorno che descrivono il forcing planetario medio.

La relazione fra onde planetarie e vortice polare è intrinsecamente bidirezionale. Le onde di Rossby che si propagano dalla troposfera possono deformare, erodere e indebolire il vortice attraverso la deposizione di quantità di moto e il rimescolamento della vorticità potenziale; allo stesso tempo, la forza e la geometria del vortice determinano le condizioni attraverso le quali le onde possono propagarsi. La moderna sintesi di Butchart sulla dinamica stratosferica evidenzia proprio come gran parte della variabilità del vortice polare invernale derivi dall’interazione tra onde provenienti dalla troposfera e flusso medio, e come il breaking delle onde planetarie rappresenti un elemento fondamentale dell’evoluzione stagionale del vortice. wcd.copernicus.org La Figura 4 deve quindi essere letta come una fotografia di questo feedback: non mostra semplicemente onde che “agiscono” su un vortice passivo, ma differenti stati di un sistema accoppiato onda–flusso medio.

Nel pannello (a), corrispondente a un BSPV debole associato alla WQBO, la stratosfera media e superiore delle medie e alte latitudini dell’emisfero settentrionale è caratterizzata da una marcata anomalia negativa della divergenza del flusso E–P. Poiché la climatologia in questa regione presenta già una convergenza delle onde planetarie, l’anomalia ne amplifica l’intensità. Ciò significa che una maggiore quantità di momento occidentale delle perturbazioni viene depositata nella stratosfera polare, intensificando il torque verso ovest esercitato sul flusso medio e contribuendo a indebolire ulteriormente i venti occidentali del vortice. Questo comportamento è pienamente coerente con la configurazione di BSPV debole selezionata dagli autori.

Il collegamento tra maggiore attività planetaria e vortice debole è uno dei risultati più consolidati della dinamica stratosferica. Durante gli inverni nei quali le onde planetarie riescono a propagarsi più efficacemente verso la stratosfera polare, la loro dissipazione produce una decelerazione del vortice e un riscaldamento dinamico della regione polare associato alla subsidenza residua. Se il forcing diventa eccezionalmente intenso, tale processo può contribuire allo sviluppo di un sudden stratospheric warming; anche in assenza di un SSW maggiore, tuttavia, variazioni dell’attività delle onde determinano una larga parte della variabilità interannuale del BSPV. Butchart sottolinea che il vortice reale durante l’inverno è costantemente eroso dall’attività delle onde rispetto allo stato estremamente forte che si svilupperebbe in un’atmosfera evoluta sotto il solo controllo radiativo. wcd.copernicus.org

L’anomalia negativa osservata nel pannello (a) non rimane confinata all’emisfero boreale. Una struttura dello stesso segno è presente anche in parte della stratosfera extratropicale australe. Ciò implica che, durante WQBO e BSPV debole, le anomalie delle onde planetarie tendono ad assumere una configurazione relativamente sincrona nei due emisferi. È una caratteristica importante dell’analisi di Yu et al., perché suggerisce che la fase occidentale della QBO favorisca una risposta interemisferica nella quale i cambiamenti della dissipazione ondulatoria assumono lo stesso segno a nord e a sud. Lo studio conclude infatti che durante WQBO le anomalie della BDC australe tendono a evolvere nello stesso senso di quelle boreali, mentre durante EQBO emerge una relazione prevalentemente antifasica. Earth and Planetary Physics

La configurazione cambia significativamente nel pannello (b), relativo a BSPV debole ed EQBO. Nell’emisfero settentrionale rimane evidente una forte anomalia negativa della divergenza E–P, ma la struttura appare più intensa e soprattutto spostata verso quote relativamente inferiori rispetto al caso WQBO. Questo aspetto è dinamicamente molto importante. La EQBO non si limita quindi a modificare la quantità complessiva di attività ondulatoria che interagisce con il vortice, ma altera anche il livello verticale al quale il forcing viene esercitato. Una maggiore convergenza nella stratosfera inferiore e media implica che la decelerazione planetaria venga concentrata a quote più basse, con conseguenze dirette sulla posizione verticale della risposta della circolazione residua.

Il risultato si collega a una delle conclusioni fondamentali dello studio: la QBO regola la posizione verticale del centro dell’anomalia del ramo discendente della BDC boreale. Durante WQBO il centro tende a trovarsi nella stratosfera superiore, mentre durante EQBO si sposta nella stratosfera inferiore. Earth and Planetary Physics La Figura 4 fornisce una spiegazione dinamica di questa differenza. Se il centro della convergenza planetaria viene spostato verticalmente dalla struttura della QBO, anche la risposta della circolazione associata al forcing dovrebbe presentare una diversa distribuzione con la quota.

Questa interpretazione è compatibile con la vasta letteratura sull’effetto Holton–Tan, cioè la relazione statistica tra QBO tropicale e vortice polare boreale. Anstey e Shepherd hanno evidenziato che la fase della QBO è correlata alla forza del vortice invernale ma che il meccanismo responsabile è più complesso di una semplice relazione tra vento equatoriale e vento polare. La risposta dipende infatti dalla struttura verticale della QBO, dalla stagione e dalla presenza simultanea di altre sorgenti di variabilità quali ENSO e ciclo solare. Royal Meteorological Society (RMetS)Garfinkel et al., attraverso esperimenti con WACCM, hanno inoltre mostrato che l’influenza della QBO sul vortice comprende variazioni della propagazione delle onde planetarie e della circolazione meridiana secondaria, e non può essere ridotta a un unico meccanismo legato allo spostamento della linea critica. American Meteorological Society Journals

L’elemento forse più interessante del pannello (b) emerge però nell’emisfero meridionale. Qui una vasta porzione della stratosfera extratropicale presenta anomalie positive della divergenza del flusso E–P. Poiché in condizioni climatologiche le onde esercitano in molte di queste regioni una convergenza, l’anomalia positiva equivale a una riduzione della dissipazione planetaria rispetto allo stato medio. Il comportamento è quindi opposto a quello dell’emisfero settentrionale, dove la convergenza viene rafforzata. Durante EQBO e vortice boreale debole emerge così una risposta interemisferica antifasica: maggiore forcing planetario al nord e minore forcing al sud.

Questo risultato evidenzia la natura globale della modulazione esercitata dalla QBO. Pur essendo generata nella stratosfera equatoriale, la QBO modifica i gradienti meridionali del vento e della vorticità potenziale, la circolazione secondaria tropicale e subtropicale e le condizioni di propagazione delle onde di Rossby. Non si tratta quindi di una teleconnessione limitata al solo collegamento Equatore–Artico. Le modificazioni del waveguide possono ridistribuire l’attività ondulatoria su scala emisferica e, attraverso il bilancio globale della circolazione residua, influenzare anche l’emisfero opposto.

Il confronto con gli studi sulla Brewer–Dobson circulation conferma quanto sia importante analizzare separatamente il forcing ondulatorio nelle diverse regioni. Sato e Hirano, utilizzando quattro rianalisi moderne, hanno dimostrato che la circolazione residua della stratosfera è prevalentemente guidata dalle onde di Rossby, soprattutto nella branca profonda dell’emisfero invernale, ma che la distribuzione del forcing varia sensibilmente con quota, latitudine e stagione. Hanno inoltre evidenziato che una descrizione puramente emisferica della BDC è insufficiente, perché la localizzazione della dissipazione ondulatoria determina la geometria della circolazione e le latitudini alle quali avvengono risalita e discesa. ACP

La configurazione del pannello (c), BSPV forte e WQBO, mostra una quasi inversione rispetto al pannello (a). Nella stratosfera extratropicale boreale prevalgono anomalie positive della divergenza E–P, indicando un indebolimento della convergenza climatologica e quindi una minore dissipazione delle onde planetarie. Il torque verso ovest che normalmente frena il vortice viene ridotto e i venti occidentali possono pertanto mantenersi più intensi. Questa struttura è coerente con lo stato di BSPV forte mostrato nella precedente Figura 2.

La differenza fra pannelli (a) e (c) permette di cogliere uno dei risultati più robusti dello studio: nell’emisfero settentrionale il segno principale dell’anomalia delle onde planetarie sembra essere controllato soprattutto dallo stato del vortice. Nei casi di vortice debole prevale una convergenza anomala e dunque una maggiore dissipazione; nei casi di vortice forte prevale una divergenza anomala e quindi una riduzione della dissipazione. La QBO modifica la struttura verticale e l’intensità del forcing, ma non inverte la relazione fondamentale fra attività planetaria e stato del BSPV.

Questa relazione può essere interpretata sia come causa sia come conseguenza dello stato del vortice. Un’intensa convergenza dell’attività ondulatoria contribuisce a produrre un vortice debole, ma un vortice già indebolito presenta a sua volta caratteristiche del vento zonale e dell’indice di rifrazione che modificano il percorso delle onde successive. Analogamente, un vortice forte può essere il risultato di una precedente fase di debole forcing ondulatorio e contemporaneamente creare condizioni meno favorevoli alla successiva deposizione di momento in determinate regioni. È quindi più corretto parlare di una relazione interattiva fra attività planetaria e BSPV che di una semplice sequenza lineare causa-effetto.

La moderna revisione di Butchart pone particolare enfasi su questa interazione onda–flusso medio. Le onde planetarie possono deformare reversibilmente il vortice durante la propagazione, ma il loro breaking determina un rimescolamento irreversibile della vorticità potenziale e una vera erosione della struttura vorticosa. L’intensità del vortice influenza contemporaneamente il waveguide attraverso il quale le onde si propagano. wcd.copernicus.org La Figura 4 di Yu et al. rappresenta quindi bene questo equilibrio dinamico, nel quale stati forti e deboli del BSPV sono associati a configurazioni opposte della dissipazione planetaria.

Nell’emisfero meridionale il pannello (c) mostra prevalentemente anomalie dello stesso segno osservato nel nord. Anche in questo caso la WQBO è quindi associata a una risposta relativamente sincrona dei due emisferi. Confrontando i pannelli (a) e (c), si nota che l’intero sistema sembra cambiare segno insieme allo stato del BSPV: maggiore convergenza in entrambi gli emisferi nel caso di vortice debole e minore convergenza o maggiore divergenza nel caso di vortice forte. Questo comportamento cambia durante la EQBO e costituisce uno degli elementi più originali dello studio.

Nel pannello (d), BSPV forte ed EQBO, la stratosfera boreale continua infatti a mostrare anomalie prevalentemente positive della divergenza E–P, coerenti con la minore dissipazione planetaria associata a un vortice forte. Nell’emisfero australe, invece, emergono anomalie negative relativamente estese, indicanti un rafforzamento della convergenza e dunque un maggiore forcing planetario rispetto alla climatologia. Il segno della risposta australe è quindi opposto a quello boreale, esattamente come nel pannello (b), anche se lo stato del BSPV è ora differente.

La comparazione dei quattro pannelli produce dunque un quadro particolarmente chiaro. Nell’emisfero boreale la distinzione di primo ordine è tra BSPV debole e BSPV forte: il primo è associato a maggiore dissipazione delle onde planetarie, il secondo a minore dissipazione. Nell’emisfero australe, invece, il segno dell’anomalia dipende in maniera sostanziale dalla fase della QBO. Durante WQBO, nord e sud tendono a evolvere nello stesso senso; durante EQBO assumono prevalentemente segnali opposti. È questo comportamento che porta Yu et al. a concludere che le anomalie planetarie australi sono controllate congiuntamente da QBO e BSPV. Earth and Planetary Physics

La relazione con la Brewer–Dobson circulation diventa particolarmente evidente se si considera il principio del downward control. La convergenza del flusso E–P rappresenta un torque zonale che può indurre una circolazione meridiana residua. Se il forcing planetario diventa più negativo nella stratosfera boreale, la risposta tende a rafforzare la circolazione residua associata alla branca invernale; se la convergenza si indebolisce, anche il forcing dinamico della BDC tende a ridursi. Diallo, Ern e Ploeger hanno mostrato attraverso ERA5 che le variazioni della BDC sono strettamente connesse alle variazioni del wave drag planetario e gravitazionale e che QBO ed ENSO costituiscono importanti sorgenti di modulazione interannuale della circolazione. ACP

Le analisi basate sulle rianalisi mostrano anche che variazioni relativamente piccole della distribuzione verticale del wave breaking possono produrre differenze significative nella struttura della BDC. Diallo et al. trovano differenze non trascurabili tra ERA5 ed ERA-Interim proprio nella forza della circolazione e nel forcing ondulatorio, pur in presenza di una struttura spaziale generale simile. ACP Ciò rafforza l’importanza del risultato di Yu et al. relativo allo spostamento verticale del forcing fra WQBO ed EQBO: non conta soltanto quanto forcing planetario viene prodotto, ma anche a quale quota viene depositato.

Il comportamento mostrato dalla Figura 4 ha inoltre conseguenze per l’interpretazione dell’effetto Holton–Tan. In una formulazione semplificata, la EQBO tende statisticamente a essere associata a un vortice più disturbato e debole, mentre la WQBO tende a favorire un vortice più intenso. Tuttavia, la presenza nello studio di tutte e quattro le combinazioni dimostra che la QBO non determina lo stato del vortice in maniera univoca. La relazione osservata deriva da una variazione delle probabilità e dall’interazione con la variabilità troposferica e stratosferica interna. Anstey e Shepherd ricordano che rimangono questioni aperte su quale livello verticale della QBO eserciti la maggiore influenza e su come il segnale interagisca con ENSO e con altre sorgenti di variabilità. Royal Meteorological Society (RMetS)

La Figura 4 è pertanto importante anche perché separa due aspetti spesso confusi: il controllo statistico esercitato dalla QBO sul vortice e lo stato effettivo del vortice in un determinato composito. La stessa EQBO può essere osservata sia con BSPV debole sia con BSPV forte, ma il forcing planetario boreale cambia radicalmente segno tra le due categorie. Ciò dimostra che una diagnosi della dinamica stratosferica basata unicamente sulla fase della QBO sarebbe incompleta. È necessario considerare simultaneamente lo stato del vortice e la propagazione reale delle onde.

Allo stesso tempo, la QBO rimane fondamentale perché modifica la distribuzione verticale e interemisferica del forcing. Nella EQBO con vortice debole, la convergenza boreale risulta più spostata verso la stratosfera inferiore; nell’emisfero australe, il segno diventa opposto rispetto al nord. Durante WQBO, invece, la struttura dei due emisferi tende a essere più concorde. Il risultato suggerisce che la QBO agisca come un regolatore della geometria tridimensionale della propagazione planetaria piuttosto che semplicemente come un interruttore capace di accendere o spegnere l’attività delle onde.

Questo quadro è coerente con gli esperimenti di Garfinkel et al., secondo cui il meccanismo Holton–Tan comprende cambiamenti della propagazione delle onde planetarie collegati alla circolazione secondaria della QBO e alle modificazioni del vento subtropicale. American Meteorological Society Journals Le bande di vento equatoriale della QBO modificano infatti il gradiente meridionale del vento e le condizioni di rifrazione delle onde. Di conseguenza, una stessa sorgente troposferica può produrre una distribuzione stratosferica differente del flusso E–P a seconda dello stato della QBO.

È importante osservare inoltre che la Figura 4 descrive anomalie della divergenza del flusso E–P e non direttamente la sorgente troposferica delle onde. Un aumento della convergenza in una determinata regione può derivare da una maggiore quantità di attività ondulatoria che raggiunge quella regione, da un cambiamento della rifrazione delle onde, da una modifica della loro dissipazione oppure dalla combinazione di questi processi. Pertanto, la figura identifica con chiarezza dove cambia il torque esercitato dalle onde, ma non deve essere interpretata come prova che la sorgente troposferica sia necessariamente aumentata o diminuita della stessa quantità.

Questa distinzione è importante soprattutto in un sistema caratterizzato da forte feedback. Un cambiamento del vortice può deviare le onde verso altre latitudini o quote senza modificare necessariamente la quantità complessiva di attività ondulatoria generata in troposfera. Le onde possono inoltre essere riflesse verso il basso oppure dissiparsi in una regione differente. La divergenza E–P rappresenta quindi il risultato finale di propagazione, rifrazione e dissipazione ed è proprio per questo una diagnostica tanto potente per lo studio del forcing della BDC.

La significatività statistica indicata dalla punteggiatura nera e verde contribuisce a distinguere le strutture robuste dalla variabilità interna. Le aree nelle quali i segnali superano il 95% o il 90% di significatività mostrano che una parte sostanziale delle differenze associate alle quattro categorie non dipende soltanto da pochi eventi estremi della simulazione. Questo è particolarmente importante perché la variabilità del vortice polare è molto elevata e una lunga simulazione WACCM5 permette di costruire compositi più ampi di quelli normalmente disponibili nelle osservazioni.

Le rianalisi reali dispongono infatti di un numero limitato di inverni e la separazione contemporanea per QBO e vortice riduce ulteriormente il campione. L’utilizzo di un modello climatico di lunga durata permette invece di studiare configurazioni relativamente rare, come EQBO associata a vortice forte o WQBO associata a vortice debole, e di distinguere più chiaramente gli effetti dei due fenomeni. Rimane naturalmente il limite che i risultati dipendono dalla dinamica e dalle parametrizzazioni del modello, ma il confronto con la letteratura basata su ERA5 e altre rianalisi mostra che la struttura generale della BDC e il ruolo dominante delle onde di Rossby nella stratosfera sono ben consolidati. ACP

Da una prospettiva più ampia, la Figura 4 dimostra che la Brewer–Dobson circulation non risponde semplicemente a una generica “intensificazione delle onde”. Il segno e la posizione del forcing sono essenziali. Una maggiore convergenza nella stratosfera superiore non produce necessariamente la stessa struttura della circolazione di una convergenza equivalente collocata nella stratosfera inferiore; allo stesso modo, anomalie di segno opposto nei due emisferi possono determinare una redistribuzione interemisferica della risalita e della subsidenza pur senza modificare drasticamente il trasporto globale integrato.

Questo è precisamente il motivo per cui il risultato sulla differente posizione verticale della risposta durante WQBO ed EQBO assume grande rilevanza. Durante WQBO la perturbazione della branca discendente boreale tende a concentrarsi maggiormente nella stratosfera superiore; durante EQBO il forcing planetario viene spostato verso quote inferiori e con esso il centro della risposta della BDC. Nell’emisfero meridionale, invece, la QBO appare capace di determinare addirittura l’inversione del segno relativo rispetto alla risposta boreale. Earth and Planetary Physics

La Figura 4 prepara inoltre il confronto con il forcing delle onde di gravità analizzato dagli autori nelle figure successive. Una volta stabilito che le onde planetarie costituiscono il principale controllo delle anomalie della BDC boreale, è necessario verificare se le gravity waves ne rafforzino o ne contrastino l’effetto. Lo studio dimostra che nella stratosfera superiore le anomalie associate alle onde di gravità possono opporsi al contributo planetario con un’intensità pari a circa metà di quest’ultimo. Earth and Planetary Physics La struttura della Figura 4 rappresenta quindi la componente dominante del forcing, ma non necessariamente la risposta finale della circolazione.

Nel complesso, la Figura 4 fornisce una rappresentazione estremamente efficace dell’interazione fra QBO, vortice polare e onde planetarie. Nell’emisfero settentrionale emerge una relazione stretta con la forza del BSPV: un vortice debole è associato a maggiore convergenza e dissipazione delle onde di Rossby, mentre un vortice forte è accompagnato da una riduzione della convergenza e quindi da un forcing decelerante più debole. La QBO modula principalmente la quota alla quale questo forcing si concentra e la sua intensità. Nell’emisfero meridionale la situazione è più complessa: la risposta dipende simultaneamente dalla QBO e dallo stato del vortice boreale e mostra una particolare distinzione fra WQBO, caratterizzata da anomalie tendenzialmente sincrone nei due emisferi, ed EQBO, durante la quale prevale una relazione antifasica. Earth and Planetary Physics

La conseguenza scientifica più profonda è che la variabilità della BDC deve essere interpretata come il risultato di una riorganizzazione tridimensionale del sistema onda–flusso medio. La QBO modifica i venti tropicali e subtropicali e quindi il waveguide delle onde planetarie; il BSPV rappresenta contemporaneamente una risposta al forcing ondulatorio e un filtro per la propagazione successiva; la dissipazione delle onde determina la distribuzione del torque; il torque produce una circolazione residua attraverso il bilancio del momento; infine, la circolazione modifica a sua volta temperatura e vento e quindi l’ambiente di propagazione delle onde. La Figura 4 rende visibile uno degli anelli fondamentali di questa catena, mostrando che la posizione e il segno della dissipazione planetaria cambiano sistematicamente con lo stato congiunto di QBO e vortice polare.

Per questo motivo, il valore della figura va oltre la semplice descrizione delle quattro categorie. Essa mostra che le anomalie della Brewer–Dobson circulation non possono essere comprese considerando isolatamente né il vortice polare né la QBO. Nel nord domina maggiormente lo stato del vortice, mentre la QBO ne organizza la risposta verticale; nel sud la QBO modifica radicalmente il rapporto con l’emisfero boreale. Il forcing planetario diventa così il meccanismo attraverso il quale la variabilità tropicale, il vortice polare e la circolazione meridiana globale vengono dinamicamente collegati. È precisamente questo quadro a spiegare perché Yu et al. considerino le onde planetarie il principale motore delle anomalie della BDC boreale, ma al tempo stesso attribuiscano alla QBO un ruolo decisivo nel determinarne la struttura verticale e la componente interemisferica. Earth and Planetary Physics

3.3 Contributo delle anomalie delle onde planetarie e delle onde di gravità alle anomalie della circolazione di Brewer–Dobson nelle diverse combinazioni di BSPV e QBO

L’analisi condotta da Yu et al. (2025) sui contributi delle onde planetarie e delle onde di gravità alle anomalie della circolazione di Brewer–Dobson rappresenta uno dei passaggi più significativi dello studio, perché permette di passare dalla semplice identificazione delle anomalie del forcing ondulatorio alla quantificazione della loro effettiva capacità di modificare il trasporto meridiano e verticale della media atmosfera. Se nelle sezioni precedenti gli autori hanno mostrato come lo stato del vortice polare stratosferico boreale e la fase della Quasi-Biennial Oscillation alterino la distribuzione della divergenza del flusso di Eliassen–Palm e del momentum flux delle onde di gravità, nella sezione 3.3 viene affrontata una questione ancora più importante: quale parte delle anomalie della Brewer–Dobson circulation sia realmente attribuibile alle onde planetarie, quale alle onde di gravità e come i due contributi interagiscano tra loro nelle diverse regioni verticali dell’atmosfera. Il risultato complessivo è quello di una BDC stratificata dinamicamente, nella quale le onde planetarie esercitano il controllo principale nella stratosfera, mentre le onde di gravità diventano progressivamente dominanti nella mesosfera; nella stratosfera superiore, tuttavia, la separazione fra questi due regimi non è netta, perché il contributo delle onde di gravità può raggiungere circa la metà di quello delle onde planetarie e può persino agire in direzione opposta. Earth and Planetary Physics

Tale risultato deve essere interpretato all’interno della concezione moderna della Brewer–Dobson circulation come circolazione prevalentemente guidata dalle onde. La BDC non consiste semplicemente in una corrente media che trasporta aria dai Tropici alle regioni polari, ma costituisce la risposta integrata del sistema atmosferico alla deposizione di quantità di moto associata alla propagazione e alla dissipazione delle perturbazioni. Butchart (2014) ha sottolineato come la circolazione residua stratosferica derivi dall’interazione tra flusso medio e onde e come il suo studio richieda di distinguere tra differenti branche, differenti quote e differenti categorie di forcing. La stratosfera presenta una branca profonda, particolarmente importante nell’emisfero invernale, e componenti più superficiali nella bassa stratosfera, mentre il trasporto complessivo dipende dalla distribuzione spaziale del wave drag e non da una singola sorgente dinamica. AGU Journals Questa distinzione è essenziale per comprendere il lavoro di Yu et al., poiché la stessa anomalia complessiva della BDC può nascere da una combinazione di contributi planetari e gravitazionali molto differenti a seconda della quota considerata.

Nella climatologia NDJF analizzata dagli autori, la circolazione stratosferica presenta la struttura tipica di una BDC invernale fortemente asimmetrica tra i due emisferi. Nell’emisfero settentrionale, la funzione di corrente associata alle onde planetarie descrive un trasporto verso le alte latitudini lungo i contorni positivi, accompagnato da una pronunciata branca discendente polare. Nell’emisfero meridionale il verso della funzione di corrente cambia segno, ma la struttura corrisponde ugualmente al trasporto verso il polo e alla subsidenza extratropicale. Il gradiente meridionale della funzione di corrente, che costituisce una misura della velocità verticale della circolazione residua, risulta climatologicamente più intenso alle alte latitudini boreali rispetto a quelle australi durante NDJF. Tale asimmetria è coerente con la più intensa attività delle onde planetarie nella stratosfera invernale boreale e con la maggiore perturbazione del vortice polare settentrionale rispetto alla sua controparte australe.

Questa struttura è in ottimo accordo con quanto emerso da Sato e Hirano (2019), che hanno analizzato la climatologia della BDC attraverso quattro moderne rianalisi utilizzando la formulazione TEM. Il loro studio conferma che la branca profonda della circolazione, localizzata principalmente nella stratosfera media e superiore dell’emisfero invernale, è sostenuta soprattutto dalle onde planetarie, mentre le onde di Rossby a scala sinottica contribuiscono maggiormente alle branche superficiali. Allo stesso tempo, Sato e Hirano mostrano che le onde di gravità non possono essere considerate una componente secondaria irrilevante: esse contribuiscono alla parte a bassa latitudine delle branche superficiali e, in molte stagioni, all’estensione verso le alte latitudini della circolazione profonda. ACP Il lavoro di Yu et al. estende questa interpretazione dimostrando che il contributo delle gravity waves diventa ancora più evidente quando si considerano non soltanto la climatologia media, ma le anomalie associate a specifiche configurazioni di QBO e vortice polare.

La climatologia della circolazione guidata dalle onde di gravità presenta infatti caratteristiche molto diverse da quella prodotta dalle onde planetarie. Il suo massimo contributo si concentra nella stratosfera superiore e soprattutto nella mesosfera, dove la diminuzione della densità atmosferica permette alle onde di crescere di ampiezza fino a raggiungere condizioni di saturazione, instabilità e dissipazione. La deposizione di quantità di moto che ne deriva costituisce uno dei principali motori della circolazione mesosferica globale. Fritts e Alexander (2003) hanno mostrato come le gravity waves influenzino in maniera determinante il vento medio, la struttura termica e la grande circolazione della media atmosfera, con effetti particolarmente intensi tra circa 10 e 110 km di quota. AGU Journals Nella climatologia di Yu et al., questo forcing produce una circolazione caratterizzata da risalita dell’aria sopra l’Antartide e discesa sopra l’Artico durante NDJF, cioè dalla classica cella mesosferica diretta dal polo estivo verso quello invernale.

Quando vengono sommati i contributi delle onde planetarie e delle onde di gravità, emerge quindi una struttura verticale composita. Nella stratosfera la funzione di corrente complessiva assomiglia maggiormente a quella associata alle onde planetarie, mentre nella mesosfera prevale nettamente la geometria della circolazione guidata dalle gravity waves. Questo risultato costituisce una conferma quantitativa della transizione verticale fra due regimi dinamici differenti. La ricerca più recente sulla separazione dinamica delle branche della BDC, come quella di Ploeger et al. (2025), mostra che la distinzione tra circolazione profonda e superficiale può essere formulata precisamente in termini di diverso contributo delle categorie di onde al trasporto residuo. Il loro confronto fra ERA5, ERA-Interim, MERRA-2 e JRA-55 dimostra che la distribuzione verticale del wave drag rappresenta una base fisica robusta per separare dinamicamente le differenti componenti della BDC. ACP Yu et al. aggiungono a questo quadro la mesosfera e il ruolo delle onde di gravità attraverso una simulazione WACCM5 estesa fino alla bassa termosfera.

Le condizioni di BSPV debole costituiscono il primo caso in cui questa decomposizione può essere osservata chiaramente. Sia durante WQBO sia durante EQBO, le anomalie della funzione di corrente prodotte dalle onde planetarie nella stratosfera boreale assumono un segno tale da rafforzare la circolazione climatologica. I centri delle anomalie si sovrappongono alle regioni di massimo della funzione di corrente media e ne aumentano il gradiente meridionale alle alte latitudini. In termini fisici, ciò equivale a una maggiore subsidenza polare e quindi a un rafforzamento del ramo discendente della BDC boreale. Il risultato è coerente con quanto mostrato nelle sezioni precedenti: un vortice polare debole è associato a maggiore convergenza del flusso E–P e quindi a una maggiore deposizione di quantità di moto da parte delle onde planetarie, che intensifica la circolazione residua.

È importante sottolineare che un rafforzamento del ramo discendente non deve essere interpretato semplicemente come un aumento locale della velocità verticale. Esso rappresenta la risposta di un sistema di trasporto tridimensionale e implica una riorganizzazione del bilancio di massa nell’intera cella. La BDC collega risalita tropicale, trasporto meridionale e subsidenza extratropicale; pertanto, variazioni della discesa polare possono essere accompagnate da cambiamenti del trasporto lungo l’intera branca profonda. Gli studi basati sulle traiettorie della circolazione residua hanno mostrato che la BDC comprende percorsi con tempi di transito molto diversi e che la distinzione tra branca profonda e superficiale è osservabile anche attraverso le proprietà dei traccianti. Birner e Bönisch (2011), ad esempio, hanno evidenziato una netta separazione tra percorsi più rapidi diretti verso la bassa stratosfera extratropicale e traiettorie profonde caratterizzate da tempi di transito molto più lunghi. ACP Questo rende particolarmente importante identificare a quale quota si manifesta il massimo dell’anomalia dinamica.

Ed è proprio qui che emerge una delle caratteristiche più interessanti dell’effetto della QBO. Durante un BSPV debole, il rafforzamento della BDC boreale si concentra maggiormente nella stratosfera medio-superiore durante WQBO, mentre durante EQBO il massimo della risposta si sposta verso la stratosfera medio-inferiore. Tale differenza è coerente con il risultato generale di Yu et al. secondo cui la QBO controlla la posizione verticale del centro anomalo del ramo discendente: più in alto nella fase occidentale e più in basso nella fase orientale. Earth and Planetary Physics Non si tratta quindi soltanto di una modulazione dell’intensità della circolazione, ma di una modificazione della sua struttura verticale, con potenziali implicazioni sul trasporto di ozono, vapore acqueo, metano e altri traccianti.

Il legame con la QBO può essere interpretato alla luce della letteratura sull’effetto Holton–Tan. Garfinkel et al. (2012), attraverso esperimenti idealizzati con WACCM, hanno mostrato che la QBO modifica il vortice polare non soltanto attraverso la presenza di una linea critica subtropicale, ma soprattutto tramite cambiamenti della circolazione meridiana associata ai venti QBO e della propagazione delle onde di Rossby. Le anomalie della QBO alterano quindi il luogo in cui le onde planetarie vengono rifratte e dissipate, influenzando la distribuzione verticale del forcing extratropicale. American Meteorological Society Journals La diversa altezza delle anomalie della BDC identificata da Yu et al. durante WQBO ed EQBO può essere vista come una manifestazione diretta di questa riorganizzazione della propagazione ondulatoria.

Il comportamento dell’emisfero meridionale durante un BSPV debole mostra una sensibilità ancora maggiore alla fase della QBO. Durante WQBO, le anomalie della funzione di corrente sono tali da rafforzare il gradiente meridionale e quindi la BDC australe; durante EQBO, invece, il segno delle anomalie riduce il gradiente e produce un indebolimento della circolazione. Questo risultato conferma che, mentre nell’emisfero settentrionale il controllo di primo ordine è esercitato soprattutto dallo stato del vortice polare, nell’emisfero meridionale la QBO assume un ruolo relativamente più importante nel determinare il segno stesso della risposta. L’abstract dello studio sintetizza questa differenza affermando che durante WQBO le anomalie australi tendono a evolvere in modo sincrono con quelle boreali, mentre durante EQBO mostrano prevalentemente una relazione antifasica. Earth and Planetary Physics

Particolarmente significativo è il comportamento delle onde di gravità durante il vortice debole. Nella stratosfera e nella mesosfera boreale, il loro contributo tende a indebolire la BDC. Il centro dell’anomalia associata alle GW risulta inoltre più basso e meno intenso durante EQBO rispetto a WQBO. Nell’emisfero australe la circolazione mesosferica, al contrario, mostra un lieve rafforzamento. Questa distribuzione evidenzia come il gravity-wave forcing risponda molto direttamente alla struttura verticale del vento di fondo: un vortice debole modifica il filtraggio delle onde, alterando quali componenti dello spettro possano raggiungere la stratosfera superiore e la mesosfera. Fritts e Alexander hanno mostrato che la propagazione delle onde di gravità dipende fortemente dalla velocità intrinseca delle onde rispetto al vento medio, dalla stabilità e dalla presenza di shear; modificazioni del background flow possono pertanto spostare radicalmente le regioni di dissipazione e il segno del momentum deposition. AGU Journals

La conseguenza più interessante emerge quando i contributi planetario e gravitazionale vengono sommati. Durante un BSPV debole, le anomalie complessive della funzione di corrente stratosferica rimangono dominate dalle onde planetarie, mentre nella mesosfera prevale il contributo delle gravity waves. Tuttavia, nella stratosfera boreale le anomalie associate alle onde di gravità agiscono in direzione opposta rispetto a quelle prodotte dalle onde planetarie. La conseguenza è una riduzione dell’intensità della risposta totale rispetto a quella che si otterrebbe considerando le sole onde di Rossby. In alcune regioni, le aree statisticamente significative della funzione di corrente si restringono considerevolmente o possono perfino scomparire. Questo è uno dei risultati più importanti dell’intero studio, perché dimostra che una valutazione della BDC basata esclusivamente sull’attività planetaria potrebbe sovrastimare l’anomalia effettiva della circolazione.

A prima vista, questo risultato potrebbe sembrare contraddittorio rispetto alle Figure 4 e 5, nelle quali le anomalie della divergenza del flusso delle onde planetarie e di gravità nella stratosfera boreale possono presentare lo stesso segno. La spiegazione risiede tuttavia nel carattere verticalmente integrato della circolazione residua. Il forcing locale nella stratosfera non rappresenta necessariamente l’unico contributo alla funzione di corrente a quella quota. Le anomalie delle onde di gravità nella mesosfera, che possono possedere segno opposto rispetto a quelle stratosferiche, esercitano un’influenza sulla circolazione sottostante attraverso il principio del downward control. In altri termini, la BDC a una determinata quota risponde al torque ondulatorio distribuito lungo la colonna atmosferica e non soltanto a quello esercitato localmente.

Questo aspetto costituisce un’importante conferma della teoria dinamica alla base dello studio. La letteratura sulla BDC ha da tempo mostrato che la circolazione residua può essere interpretata in funzione del forcing ondulatorio integrato alle quote superiori. Butchart (2014) sottolinea come proprio questa concezione abbia permesso di passare da una descrizione puramente qualitativa della BDC a una diagnosi quantitativa basata sul bilancio del momento. AGU Journals Il risultato di Yu et al. mostra concretamente che un’anomalia di gravity-wave drag localizzata nella mesosfera può compensare parte di una risposta stratosferica planetaria, evidenziando un accoppiamento verticale che sarebbe difficile da riconoscere limitando l’analisi alla sola stratosfera.

Gli autori utilizzano poi la velocità verticale residua come diagnostica più diretta dell’intensità della BDC. Sato e Hirano (2019) hanno impiegato proprio la circolazione residua TEM per quantificare il contributo delle onde di Rossby e delle onde di gravità, mostrando che la componente verticale rappresenta una misura particolarmente utile delle branche ascendenti e discendenti della circolazione. ACP Nella climatologia NDJF di Yu et al., la mesosfera presenta risalita intorno a 70°S e discesa intorno a 70°N, mentre nella stratosfera la circolazione residua mostra subsidenza alle alte latitudini di entrambi gli emisferi. Questa struttura è coerente con una mesosfera dominata dalla cella estiva-invernale e una stratosfera caratterizzata dalle due branche extratropicali della BDC.

Durante un BSPV debole, le anomalie della velocità verticale residua nella mesosfera hanno segno opposto alla climatologia in entrambi gli emisferi. Ciò significa che la risalita australe viene ridotta e la discesa boreale si indebolisce, determinando complessivamente una BDC mesosferica più debole. La risposta è particolarmente pronunciata nell’emisfero settentrionale durante WQBO e nell’emisfero meridionale durante EQBO. Gli autori attribuiscono questo comportamento prevalentemente alle onde di gravità, confermando che alle quote mesosferiche il gravity-wave drag costituisce il principale controllo della circolazione. Tale risultato è perfettamente coerente con la letteratura sulla dinamica delle gravity waves, che attribuisce alla loro dissipazione un ruolo essenziale nel mantenimento della grande circolazione mesosferica e della relativa struttura termica. AGU Journals

La situazione si inverte nella stratosfera boreale. Durante un BSPV debole, le anomalie della velocità verticale residua indicano una maggiore subsidenza alle alte latitudini e quindi un rafforzamento della BDC. Nella stratosfera medio-superiore questo segnale è particolarmente evidente durante WQBO ed è dominato dal forcing delle onde planetarie. Le onde di gravità agiscono in senso opposto e compensano approssimativamente la metà dell’effetto planetario. Earth and Planetary Physics Questa quantificazione è particolarmente significativa perché dimostra che, pur non essendo il driver dominante, il contributo delle gravity waves alla variabilità della stratosfera superiore è abbastanza grande da modificare sostanzialmente l’ampiezza finale della risposta.

Nella stratosfera medio-inferiore boreale il rafforzamento della BDC rimane invece quasi interamente controllato dalle onde planetarie e risulta più pronunciato durante EQBO. Il contributo delle onde di gravità diventa molto più piccolo. Questa variazione con la quota rafforza ulteriormente l’idea di una transizione verticale progressiva: nella parte inferiore della stratosfera domina nettamente la dinamica delle onde di Rossby; salendo verso la stratopausa, il gravity-wave forcing diventa sempre più rilevante; nella mesosfera assume infine il ruolo principale. La recente analisi di Ploeger et al. (2025) mostra in modo indipendente che il contributo relativo delle onde planetarie e delle onde a scala minore cambia sistematicamente con la quota e che tale variazione permette persino di definire dinamicamente la separazione tra branche differenti della BDC. ACP

Nell’emisfero australe la risposta durante EQBO è di segno opposto rispetto a quella boreale: la velocità verticale residua anomala indica maggiore risalita alle alte latitudini, contrastando la subsidenza climatologica e quindi indebolendo la BDC. Nella stratosfera medio-superiore i contributi delle onde planetarie e delle onde di gravità risultano dello stesso segno e di magnitudine comparabile, mentre nella stratosfera medio-inferiore domina nuovamente il forcing planetario. Questo è un risultato notevole, perché dimostra che il ruolo delle gravity waves nella stratosfera superiore dipende anche dall’emisfero e dalla fase della QBO. Non esiste dunque una regola universale secondo cui esse debbano sempre opporsi alle onde planetarie: nell’emisfero boreale tendono a farlo, mentre nella risposta australe possono agire in sinergia.

Il confronto con le rianalisi offre un importante contesto per interpretare questi risultati. Diallo, Ern e Ploeger (2021), analizzando ERA5 per il periodo 1979–2018, hanno confermato che la BDC presenta una forte variabilità interannuale e che QBO ed ENSO modulano significativamente la circolazione. Lo studio attribuisce inoltre un ruolo sia al forcing planetario sia al gravity-wave drag e mostra che la loro importanza relativa cambia sensibilmente con quota e latitudine. ACP Anche se una rianalisi non fornisce la stessa separazione diagnostica del WACCM5 utilizzato da Yu et al., la convergenza qualitativa tra i due approcci rafforza l’idea che la variabilità della BDC debba essere interpretata come risultato della sovrapposizione di diverse sorgenti ondulatorie.

In condizioni di BSPV forte, la struttura complessiva si inverte rispetto al caso di vortice debole. Le anomalie della funzione di corrente planetaria nella stratosfera boreale diventano negative durante entrambe le fasi della QBO, indicando un indebolimento della circolazione rispetto alla climatologia. Nell’emisfero meridionale il segno dipende invece dalla fase QBO: durante WQBO le anomalie sono positive, mentre durante EQBO sono negative. Anche il contributo delle onde di gravità cambia segno rispetto al BSPV debole. Nonostante l’inversione, la gerarchia dei meccanismi rimane la stessa: nella stratosfera domina il forcing planetario, nella mesosfera quello gravitazionale.

Questo comportamento è dinamicamente coerente con quanto osservato nella sezione precedente. Un BSPV forte è associato a una riduzione della convergenza del flusso planetario nella stratosfera boreale, quindi a un minore torque verso ovest e a una minore intensità della circolazione residua. La maggiore intensità dei venti occidentali non è soltanto una conseguenza di una minore dissipazione delle onde, ma modifica anche l’ambiente attraverso cui le onde successive devono propagarsi, generando un feedback fra stato del vortice e wave driving. Garfinkel et al. hanno mostrato con WACCM che modificazioni relativamente limitate della struttura del vento associata alla QBO possono spostare le regioni di rottura delle onde di Rossby e produrre risposte polari significative. American Meteorological Society Journals In uno stato di BSPV forte, questa sensibilità del waveguide contribuisce a mantenere una configurazione differente rispetto al caso di vortice debole.

Anche durante un BSPV forte il contributo delle onde di gravità nella stratosfera superiore rimane dell’ordine di circa metà di quello planetario e non può quindi essere ignorato. Nell’emisfero settentrionale esso continua a essere opposto al forcing delle onde planetarie, mentre nell’emisfero meridionale tende a possedere lo stesso segno. Earth and Planetary Physics Tale comportamento mostra che la compensazione tra categorie di onde è una caratteristica robusta della stratosfera boreale nelle simulazioni, indipendentemente dal fatto che il vortice sia forte o debole. Il segno dell’anomalia complessiva cambia, ma la tendenza delle GW a moderare la risposta planetaria rimane.

La risposta della mesosfera al BSPV forte è sostanzialmente opposta a quella osservata durante un vortice debole. La BDC mesosferica si rafforza, con un effetto particolarmente evidente nell’emisfero settentrionale durante WQBO e nell’emisfero meridionale durante EQBO. Queste anomalie sono ancora una volta dominate dalle onde di gravità. Il risultato mette in evidenza il ruolo dello stratospheric filtering: la modifica del profilo verticale dei venti associata alla forza del vortice cambia lo spettro delle gravity waves che riescono a propagarsi verso la mesosfera e quindi il segno e l’intensità della deposizione di momento alle quote superiori. La teoria delle onde di gravità prevede precisamente questo tipo di dipendenza dal background flow. AGU Journals

Nella stratosfera boreale, invece, la BDC si indebolisce sotto BSPV forte. La QBO continua a controllare la quota alla quale l’indebolimento risulta massimo: durante WQBO la risposta è più pronunciata nella stratosfera superiore, mentre durante EQBO si concentra maggiormente nella stratosfera inferiore. È quindi notevole che lo spostamento verticale associato alla QBO persista indipendentemente dal segno dell’anomalia della BDC. Con vortice debole, WQBO determina un rafforzamento più evidente alle quote superiori ed EQBO alle quote inferiori; con vortice forte, WQBO produce un indebolimento più evidente in alto ed EQBO in basso. Questo suggerisce che la QBO funzioni soprattutto come regolatore verticale del forcing e della risposta, mentre lo stato del vortice determina maggiormente il segno della perturbazione boreale.

L’emisfero meridionale mostra invece una modulazione della QBO ancora più marcata sotto condizioni di BSPV forte. Durante WQBO la BDC stratosferica australe si indebolisce, mentre durante EQBO si rafforza. Tale inversione costituisce una delle evidenze più nette della natura interemisferica del sistema e supporta direttamente la conclusione generale degli autori secondo cui l’influenza della QBO sulla BDC subpolare australe è più pronunciata quando il vortice boreale è forte. Earth and Planetary Physics Questo risultato suggerisce che lo stato del vortice settentrionale possa condizionare l’efficacia con cui il segnale tropicale della QBO viene redistribuito verso l’emisfero opposto attraverso la circolazione globale e la propagazione delle onde.

L’importanza di distinguere tra risposta stratosferica e mesosferica emerge quindi con grande chiarezza. Una descrizione della BDC basata esclusivamente sulla velocità verticale nella stratosfera potrebbe suggerire che un BSPV debole rafforzi la circolazione e un BSPV forte la indebolisca. La mesosfera mostra però simultaneamente un comportamento opposto: il vortice debole è associato a un indebolimento della circolazione mesosferica, mentre il vortice forte la rafforza. Questa opposizione verticale nasce dal fatto che le due regioni sono dominate da categorie di onde differenti e che il vortice modifica la propagazione delle gravity waves verso l’alto. La media atmosfera deve quindi essere interpretata come un sistema verticalmente accoppiato piuttosto che come una successione di strati dinamicamente indipendenti.

Questo risultato è particolarmente rilevante alla luce della difficoltà dei modelli nel rappresentare correttamente il gravity-wave drag. Sato e Hirano sottolineano che, pur essendo le onde di gravità necessarie per spiegare diverse caratteristiche della BDC, esistono ancora differenze significative tra le stime ottenute dalle rianalisi e i forcing prodotti dalle parametrizzazioni dei modelli. ACP Fritts e Alexander evidenziano analogamente che la rappresentazione delle sorgenti, dello spettro e della dissipazione delle gravity waves costituisce una delle principali fonti di incertezza nella simulazione della media atmosfera. AGU Journals Per questo motivo, il valore di circa metà del forcing planetario individuato da Yu et al. deve essere interpretato come un risultato molto significativo della specifica configurazione WACCM5 utilizzata, ma non necessariamente come una costante universale applicabile a ogni modello o stagione.

Al tempo stesso, il risultato possiede un’importanza concettuale che va oltre il valore numerico preciso. Esso dimostra che l’effetto delle onde di gravità può essere abbastanza grande da modificare radicalmente l’interpretazione delle anomalie stratosferiche. Se si considerassero esclusivamente le onde planetarie, la risposta della BDC boreale apparirebbe sistematicamente più intensa. L’inclusione del forcing mesosferico e stratosferico delle GW riduce invece l’anomalia netta. In altre parole, l’atmosfera mostra una forma di compensazione dinamica fra differenti scale ondulatorie.

La recente ricerca sulla struttura della BDC rafforza questa interpretazione. Ploeger et al. (2025) hanno mostrato che il contributo di onde planetarie e onde di scala minore al trasporto residuo varia sistematicamente con la quota e che nessun singolo indice può descrivere completamente la struttura della circolazione. ACP Analogamente, Bönisch et al. avevano già evidenziato che modificazioni della risalita tropicale non implicano necessariamente cambiamenti uniformi dell’intera BDC: la branca superficiale e quella profonda possono evolvere in maniera diversa. ACP I risultati di Yu et al. mostrano un principio analogo applicato alla variabilità QBO–BSPV: parlare semplicemente di BDC “più forte” o “più debole” può essere insufficiente senza specificare quota, emisfero, branca e tipo di forcing.

Le implicazioni riguardano anche il trasporto dei traccianti. Una maggiore subsidenza nella stratosfera superiore può accelerare il trasporto verso il basso di aria relativamente vecchia e ricca di ozono dalle quote superiori, mentre una modifica della circolazione nella stratosfera inferiore può incidere più direttamente sullo scambio con la regione UTLS e sui tempi di transito verso la bassa stratosfera extratropicale. Butchart sottolinea come la BDC controlli in maniera fondamentale la distribuzione dell’ozono, del vapore acqueo, degli aerosol e dei gas a lunga vita e contribuisca a determinare l’età dell’aria stratosferica. AGU Journals Lo spostamento verticale delle anomalie fra WQBO ed EQBO potrebbe pertanto produrre conseguenze chimiche differenti anche quando l’anomalia integrata della circolazione è comparabile.

L’analisi della sezione 3.3 introduce inoltre un’importante distinzione fra forzante locale e risposta integrata. Il fatto che una certa regione della stratosfera presenti anomalie di wave drag dello stesso segno per onde planetarie e gravity waves non implica necessariamente che i contributi alla funzione di corrente abbiano lo stesso segno. Il downward control integra infatti la distribuzione verticale del forcing sopra un determinato livello. Un’anomalia mesosferica intensa può quindi modificare la risposta stratosferica e persino compensare un forcing locale concorde. È questa proprietà a spiegare l’apparente contraddizione rilevata dagli autori tra le Figure 4–5 e le Figure 6–9.

Questa conclusione rappresenta probabilmente uno dei contributi più originali del lavoro. Molti studi sulla BDC si sono concentrati storicamente sull’attività delle onde planetarie nella stratosfera, anche perché tali onde sono più facilmente osservabili e diagnosticabili nelle rianalisi. Yu et al. mostrano invece che la dinamica della mesosfera può retroagire sulla circolazione stratosferica attraverso la risposta integrata al gravity-wave drag. Il dominio verticale di WACCM5 fino alla bassa termosfera diventa quindi un elemento essenziale dell’esperimento, poiché consente di includere un forcing che sarebbe più difficile da quantificare utilizzando esclusivamente una rianalisi tradizionale.

Nel complesso, la sezione 3.3 fornisce quindi una visione estremamente articolata della circolazione di Brewer–Dobson. Durante un BSPV debole, la BDC stratosferica boreale viene rafforzata principalmente dalle onde planetarie, con un massimo più alto durante WQBO e più basso durante EQBO; contemporaneamente, le onde di gravità contrastano la risposta nella stratosfera superiore e indeboliscono la circolazione mesosferica. Durante un BSPV forte, la risposta si inverte: la BDC stratosferica boreale si indebolisce, ancora una volta con il massimo dell’anomalia spostato verso quote superiori nella WQBO e inferiori nella EQBO, mentre la circolazione mesosferica si rafforza sotto il controllo delle gravity waves. Nell’emisfero meridionale la QBO svolge un ruolo ancora più importante, determinando un comportamento sostanzialmente sincrono con il nord durante WQBO e antifasico durante EQBO. Earth and Planetary Physics

Il quadro che ne deriva supera quindi una rappresentazione della BDC come singola cella meridiana regolata da un unico tipo di wave forcing. La circolazione reale appare come la risultante di differenti famiglie di onde che dominano a quote diverse, possono agire con segno opposto e sono continuamente modulate dal vento di fondo. La QBO determina la struttura verticale del filtro tropicale e subtropicale; il BSPV controlla il contesto dinamico extratropicale e il filtraggio delle onde verso la mesosfera; le onde planetarie stabiliscono gran parte della risposta stratosferica; le onde di gravità dominano la mesosfera e modulano sensibilmente la stratosfera superiore; il downward control integra infine questi forcing lungo la verticale, trasformandoli nella circolazione residua osservata.

La principale conclusione scientifica della sezione può quindi essere formulata in termini di gerarchia dinamica dipendente dalla quota. Nella stratosfera medio-inferiore il comportamento della BDC è controllato in larga misura dalle onde planetarie; nella stratosfera superiore il ruolo delle gravity waves diventa abbastanza importante da compensare circa metà della risposta planetaria boreale; nella mesosfera le stesse onde di gravità diventano il principale motore delle anomalie della circolazione. La fase della QBO non modifica semplicemente l’intensità di questo sistema, ma determina dove verticalmente si concentra la risposta, mentre lo stato del vortice stabilisce soprattutto il segno della perturbazione boreale. L’emisfero australe, infine, rivela il carattere globale e interemisferico di tali interazioni.

Per questo la sezione 3.3 rappresenta uno dei risultati più importanti dello studio di Yu et al. (2025): dimostra che comprendere la variabilità della Brewer–Dobson circulation richiede di seguire contemporaneamente onde planetarie, onde di gravità, struttura verticale del vento, QBO, vortice polare e accoppiamento stratosfera–mesosfera. Una diagnosi limitata a una sola di queste componenti può cogliere il segno generale della risposta in alcune regioni, ma non la sua intensità effettiva né la distribuzione verticale e interemisferica. È proprio la sovrapposizione, e talvolta la compensazione, dei differenti forcing ondulatori a determinare la BDC realmente risultante. In questo senso, il lavoro non si limita a confermare che la circolazione di Brewer–Dobson è guidata dalle onde: mostra in modo quantitativo che il tipo di onda, la quota alla quale essa deposita momento e lo stato dinamico attraverso il quale si propaga sono altrettanto importanti dell’intensità stessa del forcing.

Figura 5 – Modulazione delle onde di gravità da parte della QBO e del vortice polare: filtraggio verticale, deposizione di momento e implicazioni per la Brewer–Dobson circulation

La Figura 5 di Yu et al. (2025) costituisce uno dei risultati dinamicamente più interessanti dell’intero studio, poiché mostra come il forcing associato alle onde di gravità venga profondamente riorganizzato dalle differenti combinazioni tra stato del vortice polare stratosferico boreale e fase della Quasi-Biennial Oscillation. Se nelle figure precedenti l’attenzione era rivolta soprattutto alle onde planetarie e alla loro capacità di modulare la circolazione stratosferica attraverso la convergenza e divergenza del flusso di Eliassen–Palm, la Figura 5 introduce un meccanismo differente ma complementare: il trasporto verticale di quantità di moto operato dalle onde di gravità e la successiva deposizione di tale momento quando le onde vengono filtrate, saturano, diventano instabili o dissipano. La figura mostra quindi come la struttura del vento zonale, modificata congiuntamente dalla QBO e dal vortice polare, determini dove le gravity waves riescano a propagarsi e dove invece rilascino il proprio momento alla circolazione media. Questo processo rappresenta uno dei principali meccanismi attraverso cui stratosfera e mesosfera rimangono dinamicamente accoppiate.

La fisica delle onde di gravità atmosferiche è strettamente legata alla loro capacità di trasportare energia e quantità di moto dalla bassa atmosfera verso quote superiori. Le sorgenti possono essere numerose: flusso sopra l’orografia, convezione profonda, sistemi frontali, jet troposferici, instabilità dinamiche e altre perturbazioni meteorologiche. Una volta generate, le onde possono propagarsi verticalmente attraverso la troposfera e la stratosfera. Poiché la densità atmosferica diminuisce rapidamente con l’altitudine, l’ampiezza delle perturbazioni tende ad aumentare durante la propagazione verso l’alto; di conseguenza, molte onde raggiungono condizioni di saturazione o instabilità e finiscono per dissipare nella stratosfera superiore o nella mesosfera. Quando ciò avviene, la quantità di moto trasportata dall’onda viene trasferita al flusso medio, producendo un’accelerazione zonale che può modificare significativamente la circolazione atmosferica. La fondamentale revisione di Fritts e Alexander ha mostrato come questi processi siano essenziali per comprendere la struttura dinamica dell’intera media atmosfera, approssimativamente tra 10 e 110 km di quota, e come il comportamento dello spettro delle onde dipenda fortemente dalle variazioni del vento e della stabilità con l’altezza. AGU Journals

La Figura 5 deve essere letta proprio alla luce di questo processo di propagazione e filtraggio. Le linee di contorno descrivono la climatologia del gradiente verticale del momentum flux delle onde di gravità, mentre le aree colorate ne rappresentano le anomalie associate alle quattro configurazioni QBO–BSPV. Il segno delle anomalie è particolarmente importante. Una variazione negativa può indicare un aumento della convergenza del flusso di momento o una riduzione della divergenza climatologica; un’anomalia positiva può invece rappresentare una maggiore divergenza o una riduzione della convergenza. Per comprendere l’effetto reale sulla circolazione è quindi sempre necessario considerare congiuntamente il segno dell’anomalia e quello del forcing climatologico sottostante.

La climatologia stessa mostra due regioni preferenziali di intensa interazione tra onde di gravità e flusso medio, una nella stratosfera e una nella mesosfera. Questa struttura è coerente con la teoria e con le osservazioni della media atmosfera. Le onde possono infatti subire una prima fase importante di filtraggio nella stratosfera, ma una frazione dello spettro riesce a raggiungere la mesosfera, dove la diminuzione della densità rende le ampiezze molto maggiori e favorisce ulteriore dissipazione. Per questo il gravity-wave drag mesosferico è generalmente molto intenso e rappresenta uno dei principali motori della circolazione globale della mesosfera. Fritts e Alexander evidenziano che il forcing delle gravity waves contribuisce direttamente non soltanto al vento zonale medio, ma anche alla struttura termica e alla grande circolazione meridiana della media atmosfera. AGU Journals

Nel pannello (a), relativo alla combinazione tra BSPV debole e WQBO, compare una struttura verticale estremamente significativa nell’emisfero settentrionale. Alle medie e alte latitudini della stratosfera prevalgono anomalie negative del gradient of momentum flux, mentre nella mesosfera sovrastante emerge una vasta regione di anomalie positive. Si configura pertanto un vero e proprio dipolo verticale, con segnali di segno opposto nella stratosfera e nella mesosfera. Questo risultato mostra che il vortice debole non riduce o aumenta uniformemente l’attività delle gravity waves lungo tutta la colonna atmosferica: modifica piuttosto la quota alla quale le differenti componenti dello spettro depositano il proprio momento.

Durante il BSPV debole, l’anomalia positiva della mesosfera boreale tende a contrastare il forcing climatologico delle onde di gravità presente in quella regione. In condizioni invernali normali, la mesosfera boreale è caratterizzata da un forcing prevalentemente diretto verso ovest, che contribuisce a frenare i venti occidentali. Un’anomalia di segno opposto rappresenta quindi un indebolimento del gravity-wave drag climatologico. Parallelamente, nella stratosfera medio-inferiore si sviluppa una maggiore convergenza anomala del flusso di momento. In termini fisici, una parte maggiore dello spettro delle onde viene quindi filtrata o dissipata a quote inferiori, lasciando meno momentum flux disponibile per raggiungere la mesosfera.

Questo comportamento può essere interpretato come una conseguenza diretta della variazione del profilo verticale del vento zonale. Le gravity waves vengono infatti filtrate selettivamente a seconda della loro velocità di fase. Quando il vento di fondo si avvicina alla velocità di fase di una determinata componente ondulatoria, la velocità intrinseca dell’onda tende a diminuire fino al raggiungimento di un livello critico, dove l’onda può essere assorbita o dissipata. Una modifica del vortice polare sposta quindi verticalmente tali livelli e cambia la composizione dello spettro che riesce a raggiungere la mesosfera. Fritts e Alexander descrivono questo filtraggio come uno dei meccanismi fondamentali attraverso cui il vento medio regola l’evoluzione dello spettro delle gravity waves con la quota. AGU Journals

Le osservazioni della regione mesosferica confermano chiaramente questa sensibilità al vento di fondo. De Wit, Hibbins ed Espy, analizzando la regione della mesopausa alle alte latitudini boreali, hanno mostrato che il forcing delle onde di gravità presenta un pronunciato ciclo stagionale, prevalentemente diretto verso ovest in inverno e verso est in estate, e hanno interpretato questa alternanza proprio in termini di filtraggio selettivo dello spettro ondulatorio da parte dei venti sottostanti. ScienceDirect La struttura rappresentata da Yu et al. può essere vista come un’estensione di questo principio alla variabilità associata al vortice polare e alla QBO: non soltanto la stagione, ma anche le anomalie del vento stratosferico modificano la quantità e il segno del momentum flux che raggiunge la mesosfera.

La WQBO intensifica ulteriormente questa struttura nel pannello (a). Gli autori mostrano infatti che, durante un vortice debole, le anomalie delle onde di gravità boreali risultano più intense sotto WQBO rispetto a EQBO. Ciò suggerisce che la fase occidentale della QBO modifichi il filtro tropicale e subtropicale in modo tale da rafforzare la redistribuzione verticale del momentum flux. La QBO stessa è generata dall’interazione tra onde equatoriali e flusso medio, e le sue fasce alternate di vento orientale e occidentale costituiscono quindi un sistema di filtraggio particolarmente efficace. La stessa onda può essere trasmessa in una fase della QBO e assorbita in un’altra, producendo differenze nella quantità di momento che raggiunge la stratosfera superiore e la mesosfera.

Il pannello (b), relativo a BSPV debole ed EQBO, conserva la struttura fondamentale osservata nel pannello precedente, ma con importanti differenze nell’intensità e nella distribuzione emisferica. Nell’emisfero settentrionale rimane riconoscibile il dipolo verticale tra stratosfera e mesosfera, sebbene l’anomalia sia generalmente meno intensa rispetto alla WQBO. Nell’emisfero meridionale, al contrario, le anomalie acquistano maggiore importanza. In particolare, nella stratosfera media e superiore extratropicale australe compaiono estese regioni di anomalia positiva, che indicano una risposta del gravity-wave forcing relativamente più forte durante EQBO.

Questo risultato mostra che la QBO non esercita un’influenza puramente locale nella stratosfera tropicale, ma può alterare la distribuzione globale del momentum flux delle gravity waves. La modulazione può avvenire attraverso diversi percorsi: modificazione diretta del vento equatoriale, variazione della circolazione meridiana secondaria associata alla QBO, cambiamenti del vento subtropicale e quindi del filtro attraversato dalle onde provenienti da differenti sorgenti. In tal modo la QBO può influenzare non soltanto l’emisfero nel quale si trova il vortice polare analizzato, ma anche la stratosfera australe.

Questa risposta australe assume particolare importanza se collegata alla climatologia della Brewer–Dobson circulation. Sato e Hirano hanno dimostrato, mediante quattro moderne rianalisi, che le onde di gravità contribuiscono alla BDC non soltanto attraverso la mesosfera, ma anche determinando l’estensione ad alte latitudini della branca profonda e parte delle branche superficiali. La loro analisi mostra che il contributo delle GW alla risalita complessiva può essere inferiore rispetto a quello delle onde di Rossby, pur rimanendo essenziale per la geometria della circolazione. ACP La forte modulazione australe osservata da Yu et al. durante EQBO suggerisce quindi che la fase della QBO possa modificare non soltanto la forza ma anche la struttura meridionale della BDC.

Il pannello (c), relativo a BSPV forte e WQBO, fornisce forse la dimostrazione più chiara del rapporto tra vortice e gravity-wave filtering. Nell’emisfero settentrionale, le principali anomalie compaiono approssimativamente nelle stesse regioni verticali osservate nel pannello (a), ma con segno opposto: dove con un vortice debole apparivano anomalie positive nella mesosfera, con un vortice forte prevalgono anomalie negative; dove nella stratosfera comparivano anomalie negative, con BSPV forte emergono anomalie positive. La geometria rimane quindi relativamente stabile, mentre cambia il segno.

Questa caratteristica è esattamente ciò che ci si aspetterebbe se il principale controllo fosse esercitato dal profilo verticale del vento zonale. Gli autori identificano infatti il massimo dell’anomalia circumpolare del vento occidentale boreale intorno a 70°N e 1 hPa. Le anomalie del gravity-wave momentum flux tendono a organizzarsi al di sopra e al di sotto di tale regione, assumendo segni opposti. Ciò suggerisce che l’anomalia del vortice modifichi il livello al quale determinate componenti dello spettro vengono assorbite: quando il vortice è forte, alcune onde riescono a superare regioni nelle quali sarebbero state dissipate con un vortice debole, mentre altre vengono filtrate più efficacemente. Il risultato è una redistribuzione verticale della deposizione del momento.

Il pannello (d), BSPV forte ed EQBO, conferma questa struttura. Le anomalie boreali mantengono in larga misura il segno caratteristico del vortice forte, ma l’intensità e l’estensione vengono nuovamente modificate dalla fase della QBO. Nell’emisfero meridionale la risposta associata alla EQBO rimane particolarmente evidente, confermando che la QBO esercita un’influenza relativamente maggiore sulla distribuzione interemisferica del gravity-wave forcing, mentre il BSPV controlla in modo più netto l’inversione verticale delle anomalie boreali.

Il confronto tra pannelli (a) e (c), e tra (b) e (d), è quindi scientificamente molto significativo. A parità di fase QBO, il passaggio da vortice debole a vortice forte tende a invertire il segno del forcing delle gravity waves nell’emisfero settentrionale. Ciò indica che il BSPV agisce come un filtro dinamico di primo ordine dello spettro delle onde di gravità. La QBO modula questo filtro, ne modifica l’intensità e contribuisce a determinare la risposta dell’emisfero australe, ma la struttura boreale dipolare è profondamente legata allo stato del vortice.

Questa interpretazione risulta coerente con il quadro generale della dinamica della media atmosfera. Le onde di gravità non vengono semplicemente trasportate passivamente attraverso il campo di vento: il loro momentum flux è continuamente selezionato dal background flow. Poiché le onde trasportano momentum zonale di segno differente a seconda della direzione della loro velocità di fase, un vento occidentale intenso può rimuovere selettivamente una parte dello spettro e lasciare sopravvivere un’altra componente. Ciò determina un momentum flux netto alle quote superiori che può differire notevolmente da quello presente alla sorgente. Il processo di filtraggio è quindi intrinsecamente non lineare e dipendente dalla storia verticale dell’onda.

La Figura 5 mostra inoltre perché la dinamica delle gravity waves non possa essere analizzata indipendentemente da quella delle onde planetarie. Il vortice polare è, almeno in parte, il risultato della propagazione e dissipazione delle onde planetarie; una modifica dell’attività delle onde di Rossby cambia quindi il vento zonale, e quel nuovo vento filtra a sua volta le gravity waves. Le due categorie di onde interagiscono indirettamente attraverso il flusso medio. Il risultato finale è una catena dinamica nella quale le onde planetarie modificano il vortice, il vortice modifica il filtraggio delle onde di gravità e il gravity-wave drag modifica nuovamente la circolazione della stratosfera e della mesosfera.

La Brewer–Dobson circulation rappresenta uno dei principali elementi attraverso cui queste interazioni vengono integrate su grande scala. Sato e Hirano hanno mostrato che la circolazione residua della stratosfera è guidata soprattutto dalle onde di Rossby ma che le gravity waves possono essere determinanti nel definire l’estensione e la geometria dei rami della BDC. ACP McLandress e Shepherd, analizzando simulazioni climatiche della BDC, hanno inoltre mostrato che modificazioni del wave drag, comprese quelle legate alle onde di gravità, sono strettamente collegate ai cambiamenti della circolazione e alla sua estensione verso le alte latitudini. American Meteorological Society Journals

Il punto più originale della Figura 5 emerge tuttavia quando si considera il principio del downward control. Haynes et al. dimostrarono che, in condizioni extratropicali quasi stazionarie, il flusso di massa diabatico attraverso una determinata superficie può essere controllato dal forcing zonale prodotto dagli eddies alle quote superiori. Ciò significa che la circolazione stratosferica a un certo livello non dipende esclusivamente dal drag esercitato localmente, ma dall’integrale del forcing sovrastante. American Meteorological Society Journals

Questa proprietà è indispensabile per interpretare correttamente la Figura 5. Le anomalie più intense del gravity-wave forcing si trovano spesso nella mesosfera, e potrebbe sembrare naturale considerarle irrilevanti per la BDC stratosferica. Il downward control indica invece esattamente il contrario: una variazione del torque mesosferico può modificare la circolazione residua alle quote sottostanti. Haynes et al. mostrarono inoltre, utilizzando osservazioni di temperatura e ozono insieme a una diagnosi radiativa, che una parte sostanziale del controllo sulla velocità verticale della bassa stratosfera può provenire da quote molto superiori, con contributi significativi che in alcune condizioni si estendono fino a circa 70 km. American Meteorological Society Journals

Questo principio consente di risolvere una delle apparenti contraddizioni rilevate dagli stessi Yu et al. Nella stratosfera boreale, le anomalie locali della divergenza del forcing planetario e delle onde di gravità possono in alcune configurazioni avere lo stesso segno. Se si considerasse esclusivamente il forcing locale, si potrebbe quindi concludere che le due famiglie di onde contribuiscano nello stesso senso alla BDC. Tuttavia, quando viene calcolata la funzione di corrente integrando il forcing lungo la verticale, l’anomalia mesosferica delle gravity waves, che possiede segno opposto, può modificare la risposta stratosferica complessiva e portare il contributo delle GW a opporsi a quello planetario.

Questo risultato evidenzia la distinzione fondamentale tra momentum forcing locale e risposta dinamica integrata. La Figura 5 mostra dove viene modificato il flusso di momento, ma la BDC risponde alla distribuzione complessiva del torque sopra la quota considerata. Una singola sezione della figura non può quindi essere interpretata isolatamente senza considerare il forcing sovrastante. È proprio questa integrazione verticale a spiegare perché, nella successiva analisi della velocità residua, le onde di gravità possano compensare approssimativamente metà dell’effetto prodotto dalle onde planetarie nella stratosfera superiore boreale.

Il valore di circa il 50% deve naturalmente essere interpretato con attenzione. Non significa che le gravity waves contribuiscano universalmente alla metà della Brewer–Dobson circulation, né che il rapporto sia costante nel tempo o con la quota. Indica che, nelle anomalie della stratosfera superiore esaminate da Yu et al. e nella configurazione WACCM5 adottata, la risposta attribuibile alle GW può raggiungere un ordine di grandezza pari a circa metà di quella planetaria. Ciò resta comunque un risultato molto significativo, perché dimostra che ignorare le onde di gravità può portare a una sostanziale sovrastima o errata interpretazione della risposta stratosferica.

Sato e Hirano forniscono un importante supporto indipendente a questa conclusione. La loro analisi delle rianalisi mostra infatti che le gravity waves sono necessarie per chiudere il bilancio della circolazione residua in varie regioni della stratosfera e che il loro contributo non può essere ridotto alla sola mesosfera. Essi sottolineano anche che le parametrizzazioni delle GW nei modelli e nelle rianalisi possono presentare importanti differenze quantitative, soprattutto salendo di quota, dove le osservazioni utilizzate per vincolare la dinamica sono meno abbondanti. ACP

Questo aspetto impone una cautela importante nell’interpretazione della Figura 5. WACCM5 non risolve esplicitamente l’intero spettro delle onde di gravità: una frazione sostanziale del loro effetto viene rappresentata mediante parametrizzazioni. I dettagli quantitativi del gravity-wave momentum flux dipendono quindi dalle assunzioni utilizzate per descrivere le sorgenti, lo spettro delle velocità di fase, la propagazione, la saturazione e la dissipazione. Fritts e Alexander evidenziano che proprio la rappresentazione delle gravity waves nei modelli globali costituisce ancora una delle principali sfide nella simulazione della media atmosfera. AGU Journals Il risultato di Yu et al. deve quindi essere interpretato soprattutto per il suo significato dinamico e strutturale, più che come una misura universale e immutabile dell’intensità del forcing reale.

La Figura 5 possiede inoltre implicazioni importanti per la comprensione dell’accoppiamento stratosfera–mesosfera. Durante un BSPV debole, la redistribuzione del momentum flux tende a indebolire la circolazione mesosferica boreale; durante un BSPV forte, il segno opposto delle anomalie produce una risposta tendenzialmente inversa. Questo significa che la forza del vortice stratosferico può lasciare un’impronta ben al di sopra della stratopausa. Tale accoppiamento verticale è stato documentato da numerosi studi sull’atmosfera media e conferma che la mesosfera non può essere trattata semplicemente come uno strato posto sopra la stratosfera senza interazione dinamica con essa.

La risposta termodinamica associata a queste variazioni è altrettanto importante. Il gravity-wave drag sostiene normalmente la grande circolazione mesosferica con risalita nell’emisfero estivo e discesa in quello invernale. Modificare questo forcing significa alterare direttamente il raffreddamento adiabatico della mesosfera estiva e il riscaldamento dinamico di quella invernale. Le gravity waves influenzano quindi non soltanto i venti, ma anche la temperatura e, indirettamente, la struttura chimica e il trasporto dei costituenti. Fritts e Alexander indicano proprio l’impatto sulla circolazione su larga scala, sulla temperatura e sui traccianti come uno dei principali effetti climatici delle gravity waves. AGU Journals

La differenza tra WQBO ed EQBO aggiunge infine una dimensione importante al problema. Durante WQBO, le anomalie boreali risultano generalmente più intense, mentre durante EQBO emerge una risposta relativamente più pronunciata nell’emisfero australe. Ciò mostra che il filtro esercitato dalla QBO non si limita alla regione equatoriale ma può modificare la quantità di momentum flux che raggiunge le medie e alte latitudini e le quote mesosferiche. La QBO si comporta quindi come un regolatore della distribuzione verticale e meridionale dell’attività ondulatoria.

In una prospettiva più generale, la Figura 5 permette di leggere l’intero sistema QBO–BSPV–BDC come una rete di feedback. La QBO modifica il vento tropicale e subtropicale; questo altera la propagazione delle onde. Le onde planetarie influenzano il vortice polare; il vortice modifica il profilo del vento e quindi il filtraggio delle gravity waves; le gravity waves depositano il proprio momento nella stratosfera e nella mesosfera; il loro drag modifica la circolazione residua; attraverso il downward control, il forcing delle quote superiori può propagare la propria influenza verso il basso. La BDC risultante modifica a sua volta temperatura, vento e trasporto di traccianti, creando nuove condizioni per la propagazione delle onde.

La figura mostra quindi con particolare chiarezza perché una descrizione della Brewer–Dobson circulation basata unicamente sulle onde planetarie sia necessariamente incompleta. Nella stratosfera inferiore e media le onde di Rossby continuano a rappresentare il principale forcing, ma salendo verso la stratosfera superiore aumenta progressivamente il peso dinamico delle gravity waves. Nella mesosfera esse assumono il ruolo dominante e, grazie al downward control, una parte del loro effetto torna a manifestarsi anche nella stratosfera sottostante. È proprio questa continuità verticale a rendere indispensabile l’utilizzo di un modello whole atmosphere come WACCM5 nello studio di Yu et al.

Nel complesso, la Figura 5 documenta quindi un comportamento sistematico: il vortice polare stratosferico boreale modifica il filtraggio verticale delle onde di gravità, producendo anomalie di segno opposto nella stratosfera e nella mesosfera; la QBO modula l’intensità e la distribuzione emisferica di questa risposta; il forcing mesosferico risultante può a sua volta influenzare la Brewer–Dobson circulation stratosferica attraverso il principio del downward control. La posizione delle anomalie sopra e sotto il massimo del vento zonale attorno a 70°N e 1 hPa costituisce la firma più evidente di questo processo.

La conseguenza scientifica più profonda è che le onde di gravità non rappresentano una semplice correzione di secondo ordine alla dinamica della BDC. Esse costituiscono un elemento essenziale dell’accoppiamento verticale della media atmosfera. Nella mesosfera ne determinano direttamente gran parte della circolazione; nella stratosfera superiore possono compensare una frazione sostanziale del forcing planetario; nella risposta interemisferica vengono modulate dalla QBO; e attraverso il downward control collegano dinamicamente quote poste a decine di chilometri di distanza. La Figura 5 fornisce così una delle dimostrazioni più efficaci del principio fondamentale che attraversa l’intero lavoro di Yu et al.: per comprendere la variabilità della Brewer–Dobson circulation non è sufficiente sapere quanta attività ondulatoria è presente, ma occorre conoscere quali onde riescano a propagarsi, dove vengano filtrate, a quale quota depositino il proprio momento e in quale stato di QBO e vortice polare avvenga tale interazione.

Figura 6 – Contributo delle onde planetarie e delle onde di gravità alle anomalie della Brewer–Dobson circulation durante un vortice polare stratosferico boreale debole

Figura 6 – Contributo delle onde planetarie e delle onde di gravità alle anomalie della Brewer–Dobson circulation durante un vortice polare stratosferico boreale debole

La Figura 6 di Yu et al. (2025) costituisce uno dei passaggi più importanti dello studio perché traduce le anomalie del forcing ondulatorio analizzate nelle figure precedenti in una risposta esplicita della circolazione meridiana residua. Se le Figure 4 e 5 permettevano di stabilire dove cambiano rispettivamente la dissipazione delle onde planetarie e il trasporto di momento delle onde di gravità, la Figura 6 mostra quale circolazione di massa deriva separatamente da queste due sorgenti di forcing e quale struttura emerge quando esse vengono considerate congiuntamente. L’analisi è limitata alle condizioni caratterizzate da un vortice polare stratosferico boreale debole, BSPV debole, e confronta direttamente la fase occidentale della QBO, WQBO, con quella orientale, EQBO. Questo permette agli autori di isolare un risultato fondamentale: durante un vortice debole, il rafforzamento della Brewer–Dobson circulation nella stratosfera boreale è determinato principalmente dalle onde planetarie, mentre le onde di gravità producono una risposta di segno opposto che riduce l’intensità dell’anomalia, soprattutto nella stratosfera superiore; nella mesosfera, al contrario, il controllo dinamico passa nettamente alle onde di gravità. DOI

Per comprendere correttamente la figura è necessario ricordare che la funzione di corrente di massa non deve essere letta come una semplice mappa di valori positivi e negativi. Essa rappresenta la struttura della circolazione residua meridiano-verticale: il segno identifica il verso della cella, mentre il gradiente meridionale della funzione di corrente è direttamente collegato alla componente verticale della circolazione. Nell’emisfero settentrionale la branca climatologica della BDC associata all’inverno boreale viene descritta prevalentemente da valori positivi, mentre nell’emisfero meridionale la corrispondente circolazione presenta valori di segno opposto. Di conseguenza, un’anomalia positiva può rafforzare la circolazione boreale ma indebolire quella australe se quest’ultima possiede climatologicamente segno negativo. Questa distinzione è essenziale per non interpretare in maniera semplicistica i colori della figura.

La struttura climatologica rappresentata dai contorni è coerente con la moderna concezione della Brewer–Dobson circulation come circolazione prevalentemente guidata dalle onde. Butchart ha sottolineato che la BDC descrive il trasporto medio attraverso il quale l’aria entra nella stratosfera ai Tropici, si sposta verso le medie e alte latitudini e successivamente discende, ma che il suo mantenimento dinamico dipende soprattutto dalla deposizione di quantità di moto delle onde atmosferiche. La circolazione non costituisce quindi una semplice risposta termica meridiana, bensì una risposta del flusso medio al forcing ondulatorio. Inoltre, la BDC non è dinamicamente uniforme: differenti branche possono essere controllate da differenti scale ondulatorie e la loro intensità e geometria cambiano sensibilmente con quota e stagione. AGU Journals

Questo quadro è stato ulteriormente quantificato da Sato e Hirano, i quali hanno mostrato attraverso quattro rianalisi che la branca profonda della BDC, situata soprattutto nella stratosfera media e superiore dell’emisfero invernale, è guidata principalmente dalle onde planetarie, mentre le onde di Rossby a scala sinottica assumono maggiore importanza nelle branche superficiali della bassa stratosfera. Lo stesso studio dimostra tuttavia che le onde di gravità contribuiscono anch’esse alla struttura della circolazione, in particolare all’estensione verso le alte latitudini e alla configurazione delle regioni di inversione del flusso meridiano. ACP La Figura 6 di Yu et al. può quindi essere interpretata come una scomposizione esplicita, in un modello whole atmosphere, di questa gerarchia verticale dei forcing.

Nel pannello (a), relativo al contributo delle onde planetarie durante WQBO e BSPV debole, la caratteristica più evidente è una vasta anomalia positiva della funzione di corrente nella stratosfera dell’emisfero settentrionale. Poiché essa si sovrappone a una climatologia dello stesso segno, l’effetto è quello di aumentare il gradiente meridionale della funzione di corrente alle alte latitudini e quindi di intensificare la subsidenza polare. In termini dinamici, la branca discendente boreale della BDC viene rafforzata. Questo risultato è coerente con la Figura 4: durante un vortice debole, la convergenza del flusso di Eliassen–Palm delle onde planetarie aumenta nella stratosfera boreale, indicando una maggiore deposizione di momento verso ovest e quindi una maggiore decelerazione del flusso occidentale. La circolazione residua risponde a tale torque mediante una maggiore componente meridiano-verticale.

Il comportamento può essere interpretato attraverso il principio generale del gyroscopic pumping. Quando le onde planetarie esercitano un torque verso ovest sulla stratosfera extratropicale, il bilancio del momento richiede lo sviluppo di una circolazione residua che trasporta massa verso il polo e verso il basso alle alte latitudini. Il rafforzamento della convergenza planetaria osservato durante un BSPV debole porta quindi naturalmente a una maggiore subsidenza polare. Questo è uno dei meccanismi fondamentali attraverso cui l’attività ondulatoria può indebolire il vortice e contemporaneamente intensificare il ramo discendente della BDC.

Nell’emisfero meridionale del pannello (a), l’anomalia associata alle onde planetarie assume prevalentemente segno negativo. Poiché anche la funzione di corrente climatologica australe presenta valori negativi nella branca stratosferica interessata, l’anomalia ne aumenta il valore assoluto e quindi rafforza la circolazione. Durante WQBO e BSPV debole le onde planetarie producono dunque un rafforzamento relativamente sincronizzato delle branche stratosferiche nei due emisferi. Questo comportamento è coerente con la conclusione generale di Yu et al. secondo cui, durante WQBO, le anomalie della BDC australe tendono a evolvere nello stesso senso di quelle boreali. DOI

Il pannello (b) mostra una dinamica molto diversa, poiché rappresenta la funzione di corrente attribuibile alle sole onde di gravità durante la stessa configurazione WQBO e BSPV debole. Nell’emisfero settentrionale compaiono anomalie negative che interessano soprattutto la stratosfera superiore e la mesosfera. Rispetto al contributo positivo delle onde planetarie, le gravity waves agiscono quindi in direzione opposta. La loro azione riduce la risposta complessiva della BDC boreale, introducendo una forma di compensazione dinamica fra categorie di onde.

Questa opposizione è uno dei risultati più significativi dell’intero lavoro. Una rappresentazione della BDC basata esclusivamente sulle onde planetarie suggerirebbe infatti un rafforzamento stratosferico molto più intenso di quello che emerge quando si include anche il forcing delle gravity waves. Yu et al. quantificano questa compensazione mostrando che nella stratosfera superiore le anomalie della circolazione associate alle onde di gravità possono raggiungere approssimativamente la metà dell’intensità di quelle prodotte dalle onde planetarie. DOI Il risultato non significa che le onde di gravità contribuiscano universalmente al 50% della BDC, ma che, nelle particolari anomalie analizzate dallo studio, il loro contributo è abbastanza grande da modificare sostanzialmente la risposta finale.

La possibilità che le onde di gravità esercitino un’influenza così rilevante è coerente con la teoria della dinamica della media atmosfera. Fritts e Alexander hanno mostrato come le gravity waves trasportino quantità di moto verso l’alto e come la loro ampiezza tenda a crescere con la diminuzione della densità atmosferica. Quando le onde raggiungono condizioni di saturazione, instabilità o breaking, depositano il proprio momento nel flusso medio. I loro effetti risultano particolarmente intensi tra la stratosfera superiore e la mesosfera e comprendono modificazioni del vento medio, della circolazione meridiana, della struttura termica e del trasporto dei costituenti. AGU Journals

Il pannello (b) mostra inoltre che la risposta delle gravity waves è molto più estesa verticalmente rispetto alla componente planetaria e raggiunge pienamente la mesosfera. Questa caratteristica è essenziale perché la BDC diagnosticata alle quote stratosferiche non risponde unicamente al forcing locale. Attraverso il principio del downward control, la circolazione residua a una determinata quota può dipendere dal torque integrato esercitato alle quote sovrastanti. Ne consegue che una forte anomalia del gravity-wave drag nella mesosfera può contribuire alla risposta stratosferica al di sotto, anche quando il segno del forcing locale stratosferico suggerirebbe un effetto differente.

È proprio questa proprietà a spiegare un apparente paradosso tra le Figure 4–5 e la Figura 6. Nelle figure che mostrano direttamente la divergenza del momentum flux, le anomalie delle onde planetarie e delle onde di gravità possono localmente presentare lo stesso segno nella stratosfera boreale. Tuttavia, quando si calcola la funzione di corrente derivata dal forcing integrato, il contributo delle gravity waves può assumere segno opposto. Il motivo è che la risposta residua “vede” anche il forcing mesosferico, che può essere di segno contrario e sufficientemente intenso da dominare l’integrazione verticale. Questa distinzione tra forcing locale e risposta integrata è uno dei punti metodologicamente più raffinati del lavoro.

Il pannello (c), che rappresenta la risposta combinata di onde planetarie e onde di gravità durante WQBO, mostra direttamente il risultato di questa competizione. Nella stratosfera l’anomalia complessiva conserva la struttura del contributo planetario, segno che le onde di Rossby rimangono il driver dominante; tuttavia, l’intensità viene ridotta rispetto al pannello (a). Nella mesosfera, al contrario, la struttura complessiva assomiglia molto di più a quella del pannello (b), dimostrando che alle quote superiori il controllo passa alle gravity waves. Questo comportamento verticale rappresenta visivamente la transizione dinamica già descritta da Sato e Hirano: le onde planetarie dominano la stratosfera profonda, mentre le gravity waves acquistano importanza crescente salendo di quota. ACP

Una conferma particolarmente recente della natura verticalmente differenziata della BDC proviene dal lavoro di Baikhadzhaev, Ploeger, Preusse, Ern e Birner del 2025. Utilizzando ERA5, ERA-Interim, MERRA-2 e JRA-55, gli autori hanno proposto una separazione dinamica delle branche profonda e superficiale sulla base del forcing ondulatorio: la branca profonda risulta dominata soprattutto dalle onde planetarie di numero d’onda 1–3, mentre la componente superficiale riceve un contributo maggiore dalle onde a scala più piccola. La separazione dinamica si colloca climatologicamente intorno a 22 km, circa 43 hPa, e appare robusta fra differenti rianalisi. ACP Questo risultato rafforza l’idea che la quota alla quale agisce il forcing sia essenziale per comprendere la geometria della BDC.

La seconda metà della Figura 6 permette di valutare come il sistema cambi passando dalla WQBO alla EQBO, mantenendo però il BSPV debole. Il pannello (d) mostra nuovamente il contributo delle onde planetarie. Nell’emisfero settentrionale la funzione di corrente presenta ancora un’anomalia positiva e quindi un rafforzamento della branca discendente. La differenza fondamentale rispetto alla WQBO è però la posizione verticale: il centro principale della risposta tende a collocarsi più in basso.

Questo spostamento è uno dei risultati centrali dello studio e costituisce una delle sue tre conclusioni principali: la QBO controlla la posizione verticale del centro anomalo della branca discendente boreale. Durante WQBO il massimo tende a trovarsi nella stratosfera superiore; durante EQBO viene spostato verso la stratosfera inferiore. DOI La Figura 6 permette di vedere chiaramente che tale differenza nasce soprattutto dal contributo planetario, coerentemente con le modificazioni della convergenza E–P mostrate nella Figura 4.

Questo aspetto è particolarmente importante perché dimostra che parlare semplicemente di BDC “forte” o “debole” può essere insufficiente. Due configurazioni possono entrambe presentare una maggiore subsidenza boreale ma differire radicalmente nella quota alla quale tale anomalia raggiunge il massimo. Una risposta concentrata nella stratosfera superiore modifica principalmente il trasporto della branca profonda, mentre una perturbazione spostata verso quote inferiori può avere effetti più diretti sulla bassa stratosfera extratropicale e sui tempi di trasporto verso la regione UTLS.

Le implicazioni riguardano anche il trasporto dei traccianti. La BDC influenza la distribuzione dell’ozono, del vapore acqueo, degli aerosol e di numerosi gas a lunga vita e contribuisce a determinare l’età media dell’aria stratosferica. Butchart evidenzia che variazioni nella forza e nella struttura della circolazione possono alterare la distribuzione dell’ozono, la temperatura della tropopausa tropicale, l’ingresso del vapore acqueo nella stratosfera e i tempi di permanenza di diverse specie chimiche. AGU Journals Di conseguenza, lo spostamento verticale dell’anomalia associato alla QBO potrebbe avere conseguenze chimico-climatiche differenti anche se la variazione integrata della circolazione fosse simile.

Nell’emisfero meridionale del pannello (d) emerge una differenza ancora più netta rispetto alla WQBO. Le anomalie planetarie diventano prevalentemente positive laddove la funzione di corrente climatologica è negativa; il risultato è una riduzione del valore assoluto del gradiente meridionale e quindi un indebolimento della BDC australe. Durante EQBO e BSPV debole si sviluppa dunque una risposta interemisferica antifasica: rafforzamento boreale e indebolimento australe. Yu et al. identificano proprio questa opposizione come una caratteristica fondamentale della fase orientale della QBO. DOI

Il pannello (e) mostra il contributo delle onde di gravità durante EQBO. Anche nell’emisfero settentrionale le gravity waves continuano a produrre un’anomalia che tende a contrastare il rafforzamento planetario, ma il centro della risposta è localizzato più in basso e la sua intensità è inferiore rispetto alla configurazione WQBO. Questo dimostra che la QBO modula non soltanto la componente planetaria ma anche la struttura verticale del forcing gravitazionale.

La spiegazione fisica risiede nel filtraggio dello spettro delle onde di gravità da parte del vento di fondo. La QBO è composta da fasce alternate di vento orientale e occidentale e modifica quindi continuamente la velocità intrinseca delle onde che tentano di propagarsi attraverso la stratosfera tropicale e subtropicale. Alcune componenti dello spettro incontrano livelli critici e vengono assorbite, mentre altre riescono a propagarsi fino a quote maggiori. Il risultato finale è una differente distribuzione verticale della deposizione di momento. Fritts e Alexander hanno mostrato che l’evoluzione dello spettro delle gravity waves è altamente sensibile alle variazioni del vento e della stabilità con la quota, rendendo il background flow uno dei principali controlli sulla loro influenza dinamica. AGU Journals

Nell’emisfero meridionale del pannello (e), il contributo delle onde di gravità assume invece maggiore rilevanza rispetto alla WQBO. Questa differenza è coerente con quanto osservato nella Figura 5 e rafforza l’idea che la EQBO eserciti una particolare modulazione della risposta australe. La QBO non agisce quindi semplicemente sul vortice boreale attraverso la classica teleconnessione Holton–Tan, ma contribuisce a organizzare la distribuzione globale del forcing ondulatorio e della circolazione residua.

Il pannello (f), che combina onde planetarie e gravity waves durante EQBO, sintetizza questi effetti. Nella stratosfera boreale la risposta rimane dominata dalle onde planetarie e continua quindi a indicare un rafforzamento della BDC, ma il contributo delle gravity waves ne attenua l’intensità. Il massimo della risposta è chiaramente collocato più in basso rispetto alla WQBO. Nella mesosfera, invece, la struttura complessiva è ancora una volta maggiormente riconducibile al forcing delle gravity waves.

Il confronto diretto tra i pannelli (c) e (f) rappresenta forse la sintesi più efficace della Figura 6. A parità di vortice polare debole, la WQBO favorisce una risposta anomala della branca discendente boreale maggiormente concentrata nella stratosfera superiore, mentre la EQBO sposta il massimo verso la stratosfera medio-inferiore. Il segno complessivo della perturbazione boreale rimane simile, perché lo stato debole del vortice è associato in entrambi i casi a un forcing planetario che rafforza la BDC; è invece la QBO a determinarne la collocazione verticale.

Questo comportamento permette di separare concettualmente il ruolo del BSPV da quello della QBO. Lo stato del vortice sembra stabilire soprattutto il segno dell’anomalia stratosferica boreale: un vortice debole corrisponde a una maggiore dissipazione planetaria e a una BDC rafforzata. La QBO determina invece soprattutto dove si concentra verticalmente la risposta. È una distinzione particolarmente elegante perché mostra che due sorgenti di variabilità stratosferica possono controllare proprietà differenti dello stesso sistema dinamico.

La recente analisi di Baikhadzhaev et al. offre un interessante quadro complementare. Gli autori mostrano che la variabilità della branca profonda della BDC è legata principalmente alle onde planetarie, mentre quella della branca superficiale dipende sia dalle onde a scala più piccola sia dalle planetarie. ACP Sebbene il lavoro utilizzi rianalisi e non la stessa classificazione QBO–vortice di Yu et al., il risultato rafforza la plausibilità di una risposta verticale differenziata: modificare la quota alla quale il forcing planetario domina significa cambiare quale parte della BDC viene maggiormente perturbata.

La Figura 6 fornisce inoltre una dimostrazione molto chiara del ruolo della compensazione ondulatoria. Se si osservasse solamente il pannello planetario, la risposta stratosferica boreale apparirebbe molto più intensa. L’aggiunta delle gravity waves riduce la funzione di corrente anomala e, in alcune regioni, restringe persino le aree statisticamente significative. La BDC finale non è quindi la semplice manifestazione del forcing dominante, ma la risultante di contributi che possono agire in concorrenza.

Questa compensazione presenta analogie con il problema più generale discusso nei modelli climatici: cambiamenti del forcing di una categoria di onde possono essere parzialmente controbilanciati da cambiamenti di un’altra. Butchart sottolinea che una delle principali difficoltà nella comprensione quantitativa della BDC riguarda proprio la ripartizione del forcing tra onde risolte e onde parametrizzate e la maniera in cui le due componenti possono compensarsi. AGU Journals La Figura 6 costituisce un esempio particolarmente concreto di questo problema all’interno della variabilità naturale associata a QBO e vortice polare.

Un’altra conseguenza importante riguarda l’interpretazione delle anomalie mesosferiche. Durante un BSPV debole, la risposta delle gravity waves tende a produrre un indebolimento della circolazione mesosferica, mentre la BDC stratosferica boreale viene contemporaneamente rafforzata dalle onde planetarie. Stratosfera e mesosfera possono quindi presentare anomalie di segno opposto nello stesso stato del vortice. Tale comportamento dimostra che non è corretto descrivere l’intera media atmosfera con una singola nozione di “circolazione più forte” o “più debole”.

La dinamica mesosferica è dominata da meccanismi differenti. Le gravity waves che sopravvivono al filtraggio stratosferico depositano momentum alle quote superiori e sostengono la grande cella estiva-invernale. Una modifica del BSPV altera il filtro stratosferico e quindi la quantità e il segno del momentum flux che raggiunge la mesosfera. Il vortice polare diventa così contemporaneamente una risposta alla precedente attività delle onde planetarie e un regolatore della successiva propagazione delle gravity waves.

Questo feedback verticale rappresenta uno degli elementi più originali del lavoro. Le onde planetarie modificano il vortice e rafforzano la BDC stratosferica durante un BSPV debole; il nuovo profilo del vento modifica il filtraggio delle gravity waves; queste ultime cambiano il forcing mesosferico; attraverso il downward control, il forcing alle quote superiori retroagisce sulla circolazione stratosferica e ne riduce parzialmente la risposta planetaria. La Figura 6 costituisce quindi il punto nel quale le differenti parti della catena dinamica mostrate nelle figure precedenti vengono finalmente integrate.

Occorre tuttavia interpretare quantitativamente il contributo delle gravity waves con una certa prudenza. Molte onde di gravità possiedono scale inferiori alla risoluzione di WACCM5 e devono essere rappresentate attraverso parametrizzazioni. Fritts e Alexander evidenziano che, nonostante i notevoli progressi, la rappresentazione dello spettro delle gravity waves e dei processi di saturazione e dissipazione rimane una fonte importante di incertezza nei modelli della media atmosfera. AGU Journals Anche Sato e Hirano mostrano differenze tra rianalisi nella stima del contributo delle gravity waves alla BDC, soprattutto alle quote superiori. ACP Il valore di circa metà del forcing planetario nella stratosfera superiore va quindi interpretato come una caratteristica robusta della simulazione studiata, ma non come una costante atmosferica universale.

La validità qualitativa della struttura, tuttavia, appare sostenuta da molteplici linee di evidenza. Le rianalisi confermano il predominio planetario nella branca profonda, la crescente importanza delle onde di scala minore a quote inferiori e il ruolo delle gravity waves nella media atmosfera; i modelli whole atmosphere mostrano che il gravity-wave drag è indispensabile per riprodurre realisticamente mesosfera e stratosfera superiore; la teoria del downward control spiega come il forcing delle quote elevate possa contribuire alla circolazione inferiore. La Figura 6 integra tutti questi elementi in un singolo quadro diagnostico. AGU Journals

Dal punto di vista della variabilità climatica, il risultato mette inoltre in evidenza perché la QBO possa rappresentare una fonte di prevedibilità stratosferica. Poiché la sua fase è relativamente persistente e prevedibile su scale di diversi mesi, conoscere se il sistema si trovi in WQBO o EQBO fornisce informazioni non soltanto sul vento tropicale, ma anche sulla quota alla quale la risposta della BDC boreale tende a manifestarsi. Non significa che la QBO determini in modo univoco l’evoluzione del vortice o della circolazione, ma che modifica lo stato probabilistico della stratosfera e la distribuzione verticale della risposta ondulatoria.

Nel complesso, la Figura 6 rappresenta quindi molto più di una semplice scomposizione della funzione di corrente. Essa dimostra che la Brewer–Dobson circulation deve essere interpretata come una risultante verticalmente integrata di forcing ondulatori differenti, ciascuno dei quali domina in una particolare regione atmosferica e può rafforzare oppure contrastare gli altri. Durante un BSPV debole, le onde planetarie rafforzano nettamente la BDC stratosferica boreale; le onde di gravità ne attenuano la risposta, soprattutto nella stratosfera superiore; nella mesosfera le gravity waves diventano invece il principale controllo. Durante WQBO il massimo della perturbazione boreale viene spostato verso quote superiori, mentre durante EQBO la risposta si concentra più in basso. Nell’emisfero australe, infine, la QBO modifica persino il segno della risposta: rafforzamento durante WQBO e indebolimento durante EQBO. DOI

Il messaggio scientifico più profondo della figura è dunque che non esiste un unico “motore” della Brewer–Dobson circulation. Nella stratosfera profonda il ruolo dominante appartiene alle onde planetarie; nella mesosfera dominano le onde di gravità; nella stratosfera superiore le due famiglie di onde interagiscono e possono compensarsi fortemente; la QBO controlla la posizione verticale della risposta, mentre lo stato del vortice contribuisce a determinarne il segno e l’intensità boreale. Questa architettura rende la BDC un sistema intrinsecamente tridimensionale e accoppiato, nel quale il forcing localizzato a una determinata quota può propagare i propri effetti molto più in basso attraverso il bilancio del momento e il downward control. È proprio questa visione integrata a rendere la Figura 6 una delle figure centrali dello studio di Yu et al., perché mostra in modo concreto come onde planetarie, onde di gravità, QBO e vortice polare concorrano insieme a costruire la struttura reale della circolazione stratosferica e mesosferica.

4. Sintesi e discussione

4. Sintesi e discussione

Lo studio di Yu et al. (2025) fornisce una lettura particolarmente articolata della variabilità della circolazione di Brewer–Dobson, mostrando come la sua struttura non possa essere interpretata considerando separatamente la Quasi-Biennial Oscillation, il vortice polare stratosferico boreale, le onde planetarie e le onde di gravità. Attraverso una lunga simulazione con WACCM5, gli autori ricostruiscono infatti la risposta della BDC nelle differenti combinazioni tra fase della QBO e intensità del BSPV durante NDJF, distinguendo in modo esplicito il contributo delle onde planetarie da quello delle onde di gravità. Il risultato più generale è che la BDC emerge come il prodotto di una complessa integrazione verticale dei differenti forcing ondulatori: nella stratosfera dominano principalmente le onde planetarie, nella mesosfera prevalgono le onde di gravità, mentre nella stratosfera superiore entrambe le componenti assumono un’importanza comparabile sufficiente a produrre compensazioni dinamiche sostanziali. Questo quadro amplia la tradizionale interpretazione della BDC come semplice circolazione stratosferica “wave-driven”, mostrando che è necessario considerare l’intera media atmosfera, almeno dalla bassa stratosfera alla mesosfera, per comprenderne realmente la variabilità. DOI

La prima conclusione importante riguarda la capacità del forcing combinato delle onde planetarie e delle onde di gravità di ricostruire la circolazione residua alle alte latitudini. Fra circa 50° e 80° di latitudine nei due emisferi, la funzione di corrente derivata dalla dissipazione delle due categorie di onde risulta molto vicina alla BDC ottenuta direttamente dalla circolazione residua del modello. Tale concordanza rappresenta un risultato metodologicamente rilevante perché dimostra che, almeno nella regione extratropicale sulla quale si concentra lo studio, la circolazione meridiana può essere interpretata in larga misura come risposta al forcing meccanico delle onde. Questa conclusione è coerente con la moderna teoria della Brewer–Dobson circulation, nella quale il trasporto residuo viene interpretato come conseguenza della deposizione di momento da parte delle perturbazioni atmosferiche e del conseguente gyroscopic pumping. Butchart (2014) ha mostrato come la BDC rappresenti una delle manifestazioni più chiare di circolazione globale guidata dalle onde, ma ha anche sottolineato che la suddivisione quantitativa del forcing tra onde planetarie, onde sinottiche e gravity waves rimane una delle principali fonti di incertezza nei modelli climatici. DOI

L’importanza di questa validazione è ancora maggiore se si considera che la BDC non è una singola cella omogenea. Studi basati su osservazioni, rianalisi e traccianti hanno progressivamente mostrato l’esistenza di differenti branche dinamiche, con tempi di transito, quote e forzanti differenti. La recente analisi di Baikhadzhaev et al. (2025), condotta su ERA5, ERA-Interim, MERRA-2 e JRA-55, ha proposto una separazione dinamica tra branca profonda e superficiale della BDC, mostrando che la branca profonda è guidata prevalentemente dalle onde planetarie con numeri d’onda 1–3, mentre quella superficiale riceve un contributo relativamente maggiore dalle onde a scala minore. Gli autori collocano climatologicamente il livello di separazione attorno a 22 km, circa 43 hPa, evidenziando inoltre che la variabilità della branca profonda rimane fortemente legata alle onde planetarie. ACP Il quadro ottenuto da Yu et al. si inserisce perfettamente in questa visione, ma la estende verso l’alto, mostrando che salendo dalla stratosfera alla mesosfera la gerarchia dei forcing cambia progressivamente.

Nel settore boreale, la relazione più robusta individuata dallo studio riguarda il legame fra BDC e intensità del vortice polare stratosferico. Durante condizioni di BSPV debole, il ramo discendente della BDC alle alte latitudini dell’emisfero settentrionale tende a rafforzarsi; durante condizioni di BSPV forte, invece, la circolazione tende a indebolirsi. Questa relazione è dinamicamente coerente con il comportamento delle onde planetarie osservato nelle analisi precedenti: un vortice debole è associato a una maggiore convergenza del flusso di Eliassen–Palm nella stratosfera boreale, quindi a una maggiore deposizione di momento verso ovest, una più intensa decelerazione dei venti occidentali e una circolazione residua più vigorosa. Un vortice forte presenta invece il comportamento opposto, con una riduzione del forcing planetario decelerante e quindi una BDC meno intensa. EPPCGS

Il legame fra dissipazione delle onde planetarie, indebolimento del vortice e subsidenza polare è uno dei pilastri della dinamica stratosferica. La revisione di Baldwin et al. sui sudden stratospheric warmings mostra che la dissipazione delle onde planetarie provenienti dalla troposfera trasferisce momento verso est o ovest al flusso medio a seconda del contesto, ma nella stratosfera invernale boreale il risultato tipico della forte convergenza del flusso E–P è una decelerazione dei venti occidentali e una risposta meridiana caratterizzata da trasporto verso il polo e discesa dell’aria sulla calotta polare. Gli SSW rappresentano l’espressione estrema di questo processo, ma la stessa dinamica opera lungo un continuum di intensità del vortice e non soltanto durante gli eventi maggiori. AGU Journals La relazione identificata da Yu et al. fra BSPV debole e BDC rafforzata può quindi essere interpretata come una manifestazione climatologica della stessa interazione onda–flusso medio.

La QBO introduce però un livello ulteriore di complessità. Uno dei risultati più interessanti dello studio è che la fase della QBO non controlla principalmente il segno della risposta boreale della BDC, che rimane più direttamente legato allo stato del vortice, ma ne regola soprattutto la posizione verticale. Durante WQBO, il centro dell’anomalia del ramo discendente tende a collocarsi nella stratosfera superiore; durante EQBO, invece, esso si sposta verso la stratosfera inferiore. DOI Questa distinzione è di grande importanza perché dimostra che parlare genericamente di BDC “rafforzata” o “indebolita” può essere riduttivo. Due stati dinamici possono presentare un’anomalia dello stesso segno ma localizzata a quote differenti, con conseguenze potenzialmente diverse per il trasporto dei traccianti, l’età dell’aria e lo scambio tra stratosfera superiore, media e inferiore.

Il ruolo della QBO come regolatore verticale può essere interpretato alla luce dell’effetto Holton–Tan. La relazione fra fase della QBO equatoriale e vortice polare boreale è nota da decenni, ma la sua interpretazione si è progressivamente affinata. Anstey e Shepherd hanno evidenziato che la QBO influenza statisticamente la forza del vortice, ma che il meccanismo dipende dalla quota della QBO, dal periodo stagionale e dall’interazione con altre sorgenti di variabilità; la relazione non è quindi deterministica. Royal Meteorological Society (RMetS) Gli esperimenti WACCM di Garfinkel et al. hanno inoltre mostrato che la risposta polare non può essere spiegata semplicemente attraverso uno spostamento delle linee critiche subtropicali: la circolazione meridiana associata alla QBO modifica la propagazione delle onde planetarie e può alterare la convergenza del flusso E–P all’interno del vortice. American Meteorological Society Journals In questo contesto, lo spostamento verticale del centro della BDC osservato da Yu et al. appare come una conseguenza naturale della capacità della QBO di modificare la quota alla quale le onde planetarie vengono rifratte, dissipate e assorbite.

Questa interpretazione offre anche una chiave per comprendere perché WQBO ed EQBO possano produrre risposte differenti pur in presenza dello stesso stato del vortice. Durante WQBO, il centro del forcing planetario e della risposta residua tende a collocarsi più in alto; durante EQBO, il segnale viene trasferito verso la stratosfera inferiore. Il risultato suggerisce che la QBO agisca come una sorta di regolatore verticale della sensibilità della BDC al forcing planetario. Non modifica semplicemente la quantità complessiva di attività ondulatoria, ma ne riorganizza la distribuzione con la quota, producendo una risposta differente della circolazione residua.

L’emisfero meridionale mostra una relazione ancora più complessa. Qui la BDC stratosferica risulta sensibile contemporaneamente alla fase della QBO e allo stato del vortice boreale. Durante WQBO, la risposta australe tende a seguire quella dell’emisfero settentrionale: un BSPV debole è associato a un rafforzamento della circolazione verso il polo anche nell’emisfero sud, mentre un BSPV forte corrisponde a un indebolimento. Durante EQBO, invece, il comportamento diventa sostanzialmente opposto: con BSPV debole la BDC australe tende a indebolirsi, mentre con BSPV forte si rafforza. DOI Si configura quindi una risposta interemisferica sincrona durante WQBO e prevalentemente antifasica durante EQBO.

Questo risultato è particolarmente interessante perché mette in evidenza la natura globale della BDC. Sebbene lo studio classifichi il vortice polare nell’emisfero settentrionale, la risposta non rimane confinata al settore boreale. La continuità di massa, la struttura globale della circolazione residua e la capacità della QBO di modificare i venti tropicali e subtropicali collegano dinamicamente i due emisferi. La BDC deve quindi essere vista come un sistema globale nel quale una riorganizzazione del forcing in un emisfero può essere accompagnata da una risposta compensativa o sincrona nell’altro, a seconda della struttura del vento equatoriale.

Anche le rianalisi confermano che la QBO costituisce una delle principali sorgenti di variabilità interannuale della BDC. Diallo, Ern e Ploeger, utilizzando ERA5, hanno mostrato che la circolazione advettiva di Brewer–Dobson presenta una marcata variabilità interannuale e che sia QBO sia ENSO sono in grado di modularne l’intensità e la distribuzione, mentre planetary-wave drag e gravity-wave drag contribuiscono in proporzioni differenti a seconda della quota e della latitudine. ACP Il lavoro di Yu et al. aggiunge a questo quadro un elemento specifico: la sensibilità dell’emisfero australe alla QBO aumenta in determinate configurazioni del vortice boreale, in particolare durante BSPV forte.

La mesosfera presenta invece una risposta quasi speculare rispetto alla stratosfera boreale. Durante un BSPV debole, la BDC mesosferica tende a indebolirsi; durante un BSPV forte tende a rafforzarsi. La risposta è più marcata nell’emisfero settentrionale durante WQBO e nell’emisfero meridionale durante EQBO. DOI Tale inversione verticale rappresenta uno degli aspetti più importanti dello studio, perché mostra chiaramente che non esiste una singola risposta della “media atmosfera” allo stato del vortice. Stratosfera e mesosfera possono reagire in senso opposto perché sono controllate da differenti famiglie di onde.

La dinamica mesosferica è infatti dominata principalmente dalle onde di gravità. La climatologia ricostruita da Sato e Hirano mostra che le gravity waves rappresentano il principale motore della circolazione mesosferica dal polo estivo verso quello invernale, mentre le onde di Rossby restano fondamentali nella stratosfera. Gli stessi autori sottolineano tuttavia che le GW possono contribuire anche alla BDC stratosferica, soprattutto estendendo verso le alte latitudini la circolazione profonda. ACP Yu et al. confermano questa visione ma mostrano che il ruolo delle onde di gravità è ancora più importante quando si considerano le anomalie della stratosfera superiore.

Il risultato quantitativamente più notevole riguarda proprio questa regione: nella stratosfera superiore, le anomalie della BDC attribuite alle onde di gravità possono raggiungere un’intensità pari a circa la metà di quella associata alle onde planetarie. DOI È un risultato importante perché smentisce una lettura troppo schematica secondo cui le onde di gravità sarebbero rilevanti soltanto nella mesosfera. Il loro massimo forcing resta certamente collocato alle quote superiori, ma attraverso l’integrazione verticale del torque e il principio del downward control esse possono influenzare sensibilmente anche la circolazione stratosferica.

Il principio del downward control, formalizzato da Haynes et al. (1991), offre il fondamento teorico di questa interpretazione. In condizioni extratropicali quasi stazionarie, il flusso di massa diabatico attraverso una determinata superficie può essere controllato dalla distribuzione del forcing zonale alle quote sovrastanti. Di conseguenza, la circolazione residua a una certa quota non risponde soltanto al forcing locale, ma all’integrale delle forze ondulatorie presenti sopra quel livello. American Meteorological Society Journals Questo significa che una forte anomalia del gravity-wave drag nella mesosfera può lasciare un’impronta misurabile sulla BDC della stratosfera sottostante.

La distinzione fra forcing locale e risposta integrata è cruciale per comprendere uno dei risultati apparentemente più controintuitivi di Yu et al. Nella stratosfera boreale, le anomalie locali della divergenza del flusso delle onde planetarie e delle onde di gravità possono presentare lo stesso segno, ma il contributo delle gravity waves alla funzione di corrente complessiva può risultare opposto a quello planetario. La spiegazione è che il forcing mesosferico delle GW, spesso di segno contrario rispetto a quello stratosferico, viene integrato verticalmente e può modificare la risposta sottostante. Il risultato netto è una compensazione parziale del contributo planetario.

Questa compensazione rappresenta uno degli aspetti più originali dello studio. Nell’emisfero settentrionale, le anomalie della BDC associate alle gravity waves tendono a opporsi a quelle prodotte dalle onde planetarie; nell’emisfero meridionale, invece, i due contributi tendono generalmente ad avere la stessa polarità. DOI Il segno relativo delle due famiglie di onde è quindi differente nei due emisferi e contribuisce alla marcata asimmetria della risposta globale.

Il comportamento boreale può essere interpretato come una forma di compensazione dinamica interna. Quando le onde planetarie rafforzano la BDC stratosferica durante un BSPV debole, le gravity waves riducono parte di questa risposta; quando le onde planetarie contribuiscono a indebolirla durante un BSPV forte, la componente gravitazionale tende nuovamente a opporsi alla perturbazione planetaria. Questa opposizione riduce l’ampiezza finale della circolazione rispetto a quanto si otterrebbe considerando le sole onde di Rossby. Dal punto di vista della modellistica climatica, tale comportamento è particolarmente rilevante perché mostra che una corretta rappresentazione del forcing planetario non è sufficiente a garantire una BDC realistica nella stratosfera superiore.

Il risultato si collega direttamente alle incertezze discusse da Butchart. I modelli climatici concordano generalmente sul fatto che la BDC sia una circolazione guidata dalle onde, ma presentano differenze significative nella ripartizione del forcing fra onde risolte e onde di gravità parametrizzate. DOI Le gravity waves possiedono infatti scale spesso inferiori alla risoluzione dei modelli globali e devono essere rappresentate tramite schemi parametrizzati; il loro effetto quantitativo dipende quindi dalle assunzioni sulle sorgenti, sullo spettro delle velocità di fase, sulla saturazione e sulla dissipazione. Il valore di circa metà del contributo planetario trovato da Yu et al. deve pertanto essere considerato un risultato fisicamente importante della specifica configurazione WACCM5 analizzata, ma non una costante universale della BDC.

Anche Sato e Hirano invitano a questa cautela. Il loro confronto fra quattro rianalisi mostra che le stime del contributo delle gravity waves possono variare, soprattutto nella stratosfera superiore, proprio perché la parte non risolta dello spettro dipende fortemente dalle parametrizzazioni e dall’assimilazione. ACP Tuttavia, il fatto che dataset indipendenti convergano sul ruolo non trascurabile delle GW rafforza l’interpretazione qualitativa di Yu et al.: la dinamica stratosferica superiore non può essere descritta correttamente considerando soltanto le onde planetarie.

Un altro aspetto importante riguarda le implicazioni per il trasporto dei traccianti. La BDC governa la redistribuzione di ozono, vapore acqueo, aerosol, gas serra e composti a lunga vita, oltre a contribuire in modo sostanziale alla determinazione dell’età dell’aria stratosferica. Butchart ha evidenziato che cambiamenti nella forza della BDC possono influire sulla temperatura della tropopausa tropicale, sull’ingresso del vapore acqueo nella stratosfera, sui tempi di permanenza di sostanze ozono-lesive e sul recupero dell’ozono stesso. AGU Journals Lo spostamento verticale delle anomalie fra WQBO ed EQBO implica quindi che la fase della QBO possa modificare non soltanto la dinamica dei venti, ma anche la quota alla quale viene alterato il trasporto di specie chimiche.

Una risposta concentrata nella stratosfera superiore, come quella più tipica della WQBO nel quadro di Yu et al., dovrebbe incidere maggiormente sulla branca profonda e sul trasporto di aria proveniente dalle quote elevate; una risposta spostata verso la stratosfera inferiore durante EQBO può invece influire più direttamente sulla bassa stratosfera extratropicale e sulla regione di transizione troposfera–stratosfera. Questa interpretazione deve essere considerata qualitativa, poiché lo studio non misura direttamente l’impatto chimico delle quattro configurazioni, ma è coerente con il ruolo differenziato delle branche della BDC documentato dalle analisi dei traccianti e dalle rianalisi.

Il lavoro di Bönisch et al. aveva già mostrato che variazioni della risalita tropicale non costituiscono necessariamente una misura sufficiente delle modificazioni dell’intera BDC: branca superficiale e profonda possono evolvere in maniera differente. ACP Il risultato di Yu et al. rafforza questo principio in un contesto diverso: non soltanto le differenti branche possono variare indipendentemente, ma la QBO può spostare verticalmente il centro della risposta, mentre il BSPV ne regola più direttamente il segno boreale.

Le implicazioni riguardano anche la prevedibilità stratosferica. La QBO è una componente relativamente lenta e prevedibile del sistema atmosferico; il vortice polare, al contrario, presenta una forte variabilità intrastagionale legata agli impulsi di attività planetaria provenienti dalla troposfera. La combinazione delle due variabili potrebbe quindi fornire informazioni più ricche rispetto all’utilizzo di un singolo indice. Tuttavia, il lavoro di Yu et al. ricorda che il rapporto è probabilistico e condizionato dallo stato dinamico complessivo. WQBO non implica automaticamente un vortice forte, così come EQBO non determina necessariamente un vortice debole. La relazione Holton–Tan modifica le probabilità, non impone una corrispondenza univoca. Royal Meteorological Society (RMetS)

Questa cautela è particolarmente importante anche quando si tenta di collegare la stratosfera al tempo troposferico. La variabilità del vortice polare può influenzare la troposfera e le configurazioni del jet, ma l’effetto dipende dall’intensità, dalla persistenza e dalla propagazione verticale delle anomalie. Baldwin et al. hanno mostrato che gli eventi di forte indebolimento del vortice possono essere seguiti da modificazioni del Northern Annular Mode, delle storm tracks e della probabilità di irruzioni fredde in Eurasia e Nord America, ma l’accoppiamento non è identico in ogni evento. AGU Journals Lo studio di Yu et al. non analizza direttamente questa risposta troposferica, ma contribuisce a chiarire i meccanismi attraverso i quali QBO, BSPV e BDC possono predisporre differenti stati della stratosfera.

Dal punto di vista modellistico, uno dei punti di forza del lavoro è l’impiego di WACCM5, il cui dominio verticale permette di includere la mesosfera e quindi di diagnosticare il contributo del gravity-wave drag che molti studi focalizzati esclusivamente sulla stratosfera tendono a sottostimare. Questo elemento è fondamentale proprio perché i risultati mostrano che il forcing mesosferico può influire sulla stratosfera attraverso il downward control. Limitare il dominio verticale alla sola stratosfera potrebbe quindi produrre una valutazione incompleta della circolazione residua, soprattutto nelle regioni superiori.

Al tempo stesso, questo vantaggio rappresenta anche una fonte di incertezza. Una parte sostanziale delle gravity waves rimane parametrizzata e la QBO della configurazione utilizzata nello studio è prescritta con una periodicità di circa 28 mesi, caratteristica che rende l’esperimento particolarmente utile per isolare i meccanismi ma meno adatto a riprodurre tutta l’irregolarità osservata della QBO reale. Inoltre, l’applicazione del downward control risulta più robusta alle latitudini extratropicali, motivo per cui Yu et al. concentrano le loro conclusioni soprattutto fra 50° e 80°. La discrepanza fra funzione di corrente ricostruita dal wave forcing e circolazione residua aumenta infatti verso i Tropici, dove il contributo dei processi diabatici e della dinamica equatoriale diventa più importante. EPPCGS

Questi limiti non riducono il valore dello studio, ma aiutano a definirne correttamente il campo di applicazione. Le conclusioni non devono essere interpretate come regole rigide valide per ogni inverno reale, bensì come relazioni dinamiche statistiche che emergono all’interno di una lunga simulazione controllata. In particolare, il valore quantitativo del contributo delle gravity waves, l’esatta posizione verticale delle anomalie e l’intensità della risposta australe potrebbero variare in altri modelli o rianalisi. La struttura generale dei risultati, tuttavia, trova un forte supporto nella letteratura: predominio delle onde planetarie nella branca stratosferica profonda, crescente importanza delle gravity waves salendo di quota, ruolo della QBO nella propagazione ondulatoria e controllo esercitato dal vortice polare sulla dinamica invernale. ACP

Nel complesso, il lavoro di Yu et al. propone quindi una visione della Brewer–Dobson circulation come sistema verticalmente integrato e fortemente dipendente dallo stato del flusso medio. Nell’emisfero settentrionale, il BSPV rappresenta il principale controllo del segno dell’anomalia stratosferica: vortice debole e maggiore dissipazione planetaria corrispondono a una BDC più intensa, mentre vortice forte e minore dissipazione corrispondono a una circolazione più debole. La QBO agisce soprattutto sulla posizione verticale della risposta, spostandola verso la stratosfera superiore durante WQBO e verso quella inferiore durante EQBO. Nell’emisfero meridionale, la fase QBO assume un ruolo più determinante, producendo una risposta sincrona con il nord durante WQBO e prevalentemente antifasica durante EQBO. Nella mesosfera, il controllo passa alle gravity waves e il rapporto con il BSPV si inverte: vortice debole e circolazione mesosferica indebolita, vortice forte e circolazione rafforzata. DOI

La scoperta che il contributo delle onde di gravità nella stratosfera superiore possa raggiungere circa metà di quello planetario rappresenta infine uno dei risultati più rilevanti del lavoro. Essa dimostra che la BDC non può essere interpretata correttamente ricorrendo a una separazione troppo netta fra “stratosfera delle onde planetarie” e “mesosfera delle onde di gravità”. Esiste invece un’ampia regione di transizione nella quale i due forcing interagiscono, si compensano o si rafforzano a seconda dell’emisfero e dello stato dinamico. Nell’emisfero boreale la componente gravitazionale tende a opporsi a quella planetaria; nell’emisfero australe, invece, le due anomalie tendono maggiormente a essere concordi. DOI

Questa conclusione si accorda con l’evoluzione recente della ricerca sulla BDC. Gli studi basati sulle rianalisi hanno progressivamente abbandonato la visione di una singola circolazione uniforme a favore di un sistema formato da branche dinamicamente distinte, forzate da onde di scala diversa. Baikhadzhaev et al. mostrano che la separazione fra branca profonda e superficiale può essere formulata direttamente in termini di wave driving e che tale struttura è robusta in quattro rianalisi indipendenti. ACP Yu et al. aggiungono un ulteriore livello di complessità, mostrando che la suddivisione verticale del forcing viene modulata anche dalla combinazione fra QBO e vortice polare.

Il significato più ampio dello studio è quindi che la variabilità della Brewer–Dobson circulation dipende non soltanto dalla quantità di attività ondulatoria presente, ma dal tipo di onda, dalla quota alla quale essa deposita quantità di moto, dal segno del forcing, dalla fase della QBO, dall’intensità del vortice polare e dal modo in cui il forcing alle quote superiori viene comunicato verso il basso. È questa interazione a determinare la reale struttura della circolazione residua. La BDC deve pertanto essere considerata come l’espressione integrata di un sistema di feedback nel quale le onde modificano il vento, il vento filtra le onde successive, le diverse famiglie di onde dominano regioni verticali differenti e il downward control collega dinamicamente stratosfera e mesosfera.

In questa prospettiva, il contributo di Yu et al. va oltre la semplice classificazione delle quattro combinazioni WQBO/EQBO e BSPV forte/debole. Lo studio dimostra che QBO e vortice polare non agiscono come due forzanti indipendenti sovrapposte alla BDC, ma modificano le condizioni stesse attraverso cui le onde planetarie e di gravità possono propagarsi e dissiparsi. La circolazione di Brewer–Dobson emerge quindi come risultato finale di un sistema accoppiato tropicale–extratropicale e stratosfera–mesosfera, nel quale il segnale della QBO, lo stato del vortice e la distribuzione del forcing ondulatorio si condizionano reciprocamente. Proprio questa visione integrata rappresenta probabilmente il contributo più importante dello studio alla comprensione contemporanea della dinamica della media atmosfera.

Figura 7 – Struttura verticale della velocità residua e contributo di onde planetarie e di gravità alle anomalie della Brewer–Dobson circulation durante un vortice polare boreale debole

Figura 7 – Struttura verticale della velocità residua e contributo di onde planetarie e di gravità alle anomalie della Brewer–Dobson circulation durante un vortice polare boreale debole

La Figura 7 di Yu et al. (2025) costituisce uno dei passaggi più importanti dell’intero studio perché consente di quantificare direttamente la risposta verticale della circolazione di Brewer–Dobson alle differenti combinazioni della Quasi-Biennial Oscillation in presenza di un vortice polare stratosferico boreale debole. Mentre le figure precedenti descrivevano la distribuzione del forcing ondulatorio e la struttura della funzione di corrente di massa, qui gli autori utilizzano la velocità verticale residua \(w^*\) per stabilire in maniera più immediata dove la circolazione venga intensificata o indebolita e, soprattutto, quale fra le onde planetarie e le onde di gravità sia responsabile della risposta osservata. La figura permette pertanto di passare dalla descrizione geometrica delle celle della BDC a una diagnosi quantitativa dei movimenti verticali alle alte latitudini di entrambi gli emisferi, distinguendo contemporaneamente la mesosfera, la stratosfera medio-superiore e quella medio-inferiore. Il risultato conferma una gerarchia dinamica fortemente dipendente dalla quota: le onde di gravità dominano le anomalie mesosferiche, le onde planetarie controllano prevalentemente la stratosfera, mentre nella stratosfera superiore i due contributi possono assumere ampiezze confrontabili e, nell’emisfero boreale, agire addirittura in direzioni opposte. EPPCGS

L’utilizzo della velocità verticale residua rappresenta una scelta metodologica particolarmente appropriata. Nella formulazione Transformed Eulerian Mean, la circolazione residua costituisce una rappresentazione molto più significativa del trasporto meridiano medio rispetto alla semplice circolazione euleriana zonalmente mediata, poiché incorpora parte dell’effetto del trasporto prodotto dalle perturbazioni. Per questo \(w^*\) viene comunemente utilizzata come indicatore della forza della Brewer–Dobson circulation nei modelli e nelle rianalisi. Butchart (2014) ha sottolineato come la BDC sia caratterizzata dalla risalita dell’aria tropicale, dal movimento verso le medie e alte latitudini e dalla successiva subsidenza extratropicale, e come la velocità residua costituisca una delle principali grandezze diagnostiche utilizzate per descriverne l’intensità. DOI

Occorre tuttavia mantenere una distinzione importante fra \(w^*\) e il trasporto effettivo di una singola particella atmosferica. Linz et al. (2019) hanno mostrato che la velocità verticale TEM costituisce una metrica estremamente utile della dinamica stratosferica e risulta strettamente collegata alla circolazione diabaticamente guidata nei modelli, ma non rappresenta in maniera completa il trasporto dei traccianti, perché processi di mixing e stirring possono modificare il movimento delle specie chimiche rispetto alla sola circolazione residua. Questa precisazione non riduce il valore della Figura 7: al contrario, chiarisce che essa descrive in modo particolarmente efficace il componente advettivo e dinamicamente guidato della BDC, ma non pretende di rappresentare da sola l’intero trasporto lagrangiano di ozono, vapore acqueo o altri costituenti. ACP

La struttura della figura è concepita proprio per evidenziare la dipendenza verticale ed emisferica della risposta. I pannelli (a–c) rappresentano la WQBO a 70°N, i pannelli (d–f) la EQBO alla stessa latitudine, i pannelli (g–i) la WQBO a 70°S e infine i pannelli (j–l) la EQBO a 70°S. Le tre colonne isolano progressivamente le regioni più elevate della media atmosfera, la stratosfera medio-superiore e la stratosfera medio-inferiore. Le curve tratteggiate descrivono la climatologia NDJF della velocità verticale residua, mentre quelle continue rappresentano le anomalie associate alle condizioni di BSPV debole. Il blu identifica il contributo delle onde planetarie, il rosso quello delle onde di gravità e il nero la loro combinazione. I segmenti statisticamente significativi consentono inoltre di distinguere le variazioni sistematiche dalle oscillazioni più deboli della simulazione.

Il segno della velocità verticale residua deve essere interpretato con particolare attenzione. Un valore positivo di \(w^*\) indica movimento residuo verso l’alto, mentre un valore negativo corrisponde a subsidenza. Durante NDJF, nella mesosfera australe estiva prevale climatologicamente una vigorosa risalita alle alte latitudini, mentre nella mesosfera boreale invernale domina la discesa. Nella stratosfera, invece, alle alte latitudini di entrambi gli emisferi la BDC climatologica presenta una componente discendente. Ne consegue che una stessa anomalia di segno positivo può assumere significati dinamici differenti: a 70°N in stratosfera tende a ridurre la subsidenza e quindi a indebolire la BDC, mentre a 70°S nella mesosfera può aumentare la risalita e rafforzare la cella mesosferica. È proprio questo motivo che rende insufficiente interpretare le curve soltanto attraverso il segno numerico senza considerare la climatologia di riferimento.

Questa struttura stagionale della circolazione è ben consolidata nella letteratura. Sato e Hirano (2019), utilizzando quattro moderne rianalisi, hanno mostrato che la circolazione residua della stratosfera è guidata principalmente dalle onde di Rossby, mentre le onde di gravità diventano essenziali nella media atmosfera superiore e contribuiscono in maniera significativa alla struttura delle celle ad alta latitudine. Gli autori evidenziano inoltre che il ruolo delle GW non deve essere valutato esclusivamente in termini di flusso di massa tropicale: esse risultano fondamentali per determinare l’estensione meridionale della circolazione e la posizione delle latitudini alle quali il flusso residuo cambia direzione. CiNii

Nei pannelli (a–c), relativi alla WQBO a 70°N, il contrasto fra mesosfera e stratosfera risulta particolarmente evidente. Nella regione mesosferica, l’anomalia complessiva della velocità residua tende a opporsi alla climatologica subsidenza invernale boreale. In altre parole, il movimento verso il basso viene ridotto e la BDC mesosferica si indebolisce. Il contributo dominante è attribuibile alle onde di gravità, mentre quello delle onde planetarie rimane secondario. Questa caratteristica conferma quanto emerso già dalla Figura 5: durante un vortice boreale debole, il filtraggio stratosferico delle gravity waves viene modificato in modo tale da ridurre il forcing climatologico che sostiene la circolazione mesosferica invernale. Yu et al. individuano infatti proprio nella WQBO la configurazione nella quale l’indebolimento mesosferico boreale risulta maggiormente pronunciato. EPPCGS

Il dominio delle gravity waves nella mesosfera è coerente con uno dei risultati più robusti della dinamica della media atmosfera. Fritts e Alexander (2003) hanno mostrato come le onde di gravità, originate da processi quali orografia, convezione, fronti e instabilità dei jet, aumentino di ampiezza durante la propagazione verso l’alto a causa della diminuzione della densità atmosferica. Una volta raggiunte condizioni di saturazione, instabilità o breaking, esse depositano quantità di moto nel flusso medio, esercitando un forte controllo sulla circolazione e sulla struttura termica della mesosfera. Il loro impatto massimo si manifesta proprio nella media atmosfera, approssimativamente tra 10 e 110 km, dove contribuiscono in maniera determinante ai venti medi, alle temperature e alla grande circolazione meridiana. AGU Journals

L’indebolimento della BDC mesosferica durante BSPV debole può quindi essere interpretato come una conseguenza del diverso filtraggio stratosferico delle onde di gravità. Il vento zonale di fondo seleziona quali componenti dello spettro riescano a raggiungere le quote superiori: un cambiamento del vortice modifica la velocità intrinseca delle onde, la posizione dei livelli critici e il luogo nel quale il momentum flux viene dissipato. In condizioni di vortice debole, una quota maggiore del momentum può essere depositata a livelli inferiori, lasciando meno forcing disponibile nella mesosfera. La Figura 7 mostra la conseguenza dinamica finale di questa redistribuzione: la subsidenza mesosferica boreale diminuisce.

La situazione cambia radicalmente scendendo nella stratosfera medio-superiore del pannello (b). Qui il contributo delle onde planetarie produce un’anomalia di velocità residua che aumenta la discesa alle alte latitudini e quindi rafforza la Brewer–Dobson circulation boreale. È il risultato dinamicamente atteso della maggiore convergenza del flusso di Eliassen–Palm mostrata nelle Figure 3 e 4: le onde planetarie depositano una maggiore quantità di momento verso ovest, intensificando il torque che sostiene la circolazione residua. In termini di bilancio del momento, la maggiore dissipazione planetaria richiede una più intensa circolazione meridiano-verticale, con trasporto verso il polo e maggiore subsidenza alle alte latitudini.

Il legame fra maggiore attività ondulatoria, indebolimento del vortice e rafforzamento della circolazione residua costituisce uno dei principi fondamentali della dinamica stratosferica. Butchart ha descritto la BDC come una circolazione sostenuta dal gyroscopic pumping: il drag associato alle onde di Rossby produce un torque sul vento zonale e obbliga l’atmosfera a sviluppare una risposta meridiana capace di bilanciare la variazione del momento angolare. La maggiore convergenza del flusso E–P durante un BSPV debole è pertanto coerente con un incremento della subsidenza polare e della BDC boreale. DOI

L’aspetto più interessante del pannello (b), tuttavia, è che le onde di gravità agiscono in senso opposto rispetto alle onde planetarie. Mentre le PW intensificano la subsidenza, le GW tendono a ridurla. La curva complessiva conserva il segno imposto dalle onde planetarie, ma presenta un’ampiezza sensibilmente inferiore. È questo confronto che consente a Yu et al. di stimare che, nella stratosfera superiore boreale, l’effetto delle gravity waves possa raggiungere un’intensità dell’ordine di circa metà di quello planetario. Si tratta di uno dei risultati più originali dello studio: le GW non costituiscono semplicemente una piccola correzione alla circolazione dominata dalle onde planetarie, ma possono ridurne sostanzialmente la risposta. EPPCGS

È importante precisare il significato di quel “circa metà”. Non si tratta di una costante universale della Brewer–Dobson circulation, né significa che il 50% dell’intera BDC sia normalmente prodotto dalle gravity waves. Il risultato riguarda le anomalie della stratosfera superiore nella specifica configurazione WACCM5 e nelle categorie dinamiche considerate da Yu et al.. Il valore può dipendere dalla stagione, dalla quota, dalla parametrizzazione delle onde di gravità e dallo stato della circolazione. Tuttavia, il risultato è concettualmente molto importante perché dimostra che la variabilità della stratosfera superiore non può essere interpretata correttamente considerando esclusivamente le onde planetarie.

La compensazione osservata nel pannello (b) assume ancora maggiore significato alla luce del principio del downward control. Le gravity waves esercitano gran parte del proprio forcing a quote superiori, soprattutto nella mesosfera, ma la circolazione residua a un determinato livello dipende dal torque integrato al di sopra di quel livello. Per questo un’anomalia mesosferica delle onde di gravità può modificare la circolazione stratosferica sottostante persino quando il forcing gravitazionale locale nella stratosfera presenta un segno differente. Il risultato della Figura 7 non è quindi in contraddizione con le mappe locali del gravity-wave drag mostrate precedentemente: rappresenta la risposta integrata della circolazione all’intera distribuzione verticale del forcing.

Questa proprietà costituisce uno dei fondamenti teorici della moderna interpretazione della BDC. Il downward control spiega perché le variazioni della deposizione di momento alle quote superiori possano controllare la circolazione meridiana sottostante e perché sia necessario considerare stratosfera e mesosfera come parti di un unico sistema dinamico. La Figura 7 fornisce una manifestazione particolarmente chiara di questo principio: il forcing mesosferico delle gravity waves modifica la subsidenza della stratosfera superiore e attenua la risposta planetaria, nonostante le GW non costituiscano localmente il forcing dominante della stratosfera.

Scendendo ulteriormente nel pannello (c), verso la stratosfera medio-inferiore, il contributo delle gravity waves diminuisce notevolmente e la risposta complessiva segue quasi completamente quella delle onde planetarie. Questa configurazione conferma la forte dipendenza verticale della gerarchia dei forcing: la BDC della bassa e media stratosfera è prevalentemente guidata dalle onde di Rossby, mentre la rilevanza delle GW aumenta procedendo verso la stratopausa. Sato e Hirano hanno trovato un comportamento analogo nelle rianalisi, mostrando che il contributo gravitazionale è relativamente limitato per il flusso verticale globale della bassa stratosfera ma diventa importante nel determinare la struttura delle branche alle quote superiori. CiNii

La recente analisi di Baikhadzhaev et al. (2025) rafforza ulteriormente questo quadro. Attraverso ERA5, ERA-Interim, MERRA-2 e JRA-55, gli autori hanno separato dinamicamente le branche profonde e superficiali della circolazione stratosferica utilizzando la formulazione TEM e il downward control, mostrando che la distribuzione verticale del wave driving costituisce un elemento fondamentale per distinguere le diverse componenti della BDC. Il risultato sottolinea che la circolazione non deve essere descritta come un’unica cella uniforme: differenti livelli verticali rispondono a differenti parti dello spettro ondulatorio. ACP

I pannelli (d–f) mostrano come la risposta boreale cambi passando alla EQBO, mantenendo però un BSPV debole. Nella mesosfera, il comportamento generale rimane quello di un indebolimento della circolazione: l’anomalia della velocità residua contrasta la climatologica subsidenza invernale. Il segnale è nuovamente legato soprattutto alle onde di gravità, ma risulta generalmente meno marcato rispetto alla configurazione WQBO. Questo confronto conferma quindi che la fase occidentale della QBO rende particolarmente evidente l’influenza del vortice debole sulla circolazione mesosferica boreale.

Il passaggio dalla WQBO alla EQBO diventa però molto più significativo nella stratosfera. Durante EQBO, il rafforzamento della BDC associato alle onde planetarie tende a spostarsi verso quote inferiori. La stratosfera medio-superiore continua a mostrare una risposta planetaria favorevole alla maggiore subsidenza, ma il massimo dell’anomalia non è più collocato così in alto come durante WQBO. Nella stratosfera medio-inferiore, rappresentata dal pannello (f), il segnale planetario assume invece particolare rilevanza. È precisamente questa differenza che porta gli autori a concludere che la QBO controlla la posizione verticale del centro dell’anomalia del ramo discendente boreale: stratosfera superiore durante WQBO, stratosfera inferiore durante EQBO. EPPCGS

Questo risultato deve essere collegato alla teleconnessione QBO–vortice polare, generalmente indicata come effetto Holton–Tan. Anstey e Shepherd hanno sintetizzato una vasta letteratura osservativa e modellistica mostrando che la variabilità del vortice boreale è statisticamente correlata alla fase della QBO, ma anche che rimangono importanti questioni sulla quota della QBO maggiormente responsabile della risposta e sull’interazione con altre sorgenti di variabilità atmosferica. Royal Meteorological Society (RMetS) La Figura 7 di Yu et al. aggiunge un elemento interessante: anche quando lo stato del vortice è già fissato come “debole”, la fase della QBO continua a modificare la profondità verticale della risposta della BDC.

Gli esperimenti WACCM di Garfinkel et al. (2012) offrono una possibile interpretazione dinamica. Gli autori mostrarono che la risposta del vortice alla EQBO della bassa stratosfera non deriva principalmente dal semplice spostamento della linea critica subtropicale previsto dall’interpretazione più classica dell’effetto Holton–Tan. La circolazione meridiana associata alla QBO modifica invece il vento subtropicale e la propagazione delle onde planetarie, favorendo una diversa convergenza del flusso E–P nel vortice polare. American Meteorological Society Journals La diversa quota del massimo di \(w^*\) osservata da Yu et al. è quindi coerente con una riorganizzazione verticale della propagazione e dissipazione delle onde di Rossby.

Il confronto fra pannelli (b) e (f) è particolarmente istruttivo perché evidenzia che la fase della QBO sembra funzionare più come regolatore della quota della risposta che come semplice interruttore capace di determinare il segno della circolazione boreale. Con un BSPV debole, sia WQBO sia EQBO producono una BDC stratosferica più intensa; ciò che cambia sostanzialmente è la quota alla quale il rafforzamento è massimo. Questo aiuta anche a comprendere perché una classificazione della BDC basata esclusivamente su un indice verticale integrato possa nascondere differenze dinamicamente importanti.

L’analisi si arricchisce ulteriormente passando all’emisfero meridionale. I pannelli (g–i) rappresentano la WQBO a 70°S. Nella mesosfera australe, dove la climatologia NDJF è caratterizzata dalla risalita tipica dell’emisfero estivo, le anomalie associate al BSPV debole agiscono in direzione opposta alla circolazione climatologica e ne riducono l’intensità. Anche in questo caso il contributo principale proviene dalle onde di gravità, dimostrando che la risposta mesosferica nei due emisferi è controllata soprattutto dal gravity-wave drag. Tuttavia, Yu et al. rilevano che tale indebolimento è meno pronunciato durante WQBO nell’emisfero australe rispetto alla risposta osservata durante EQBO.

Nella stratosfera australe, invece, durante WQBO la risposta tende complessivamente a rafforzare la branca discendente della BDC. Questo comportamento è coerente con l’analisi della funzione di corrente della Figura 6 e con la conclusione generale secondo cui durante WQBO le anomalie dei due emisferi tendono a essere sincrone: BSPV debole significa rafforzamento della circolazione stratosferica tanto a nord quanto a sud, sebbene il segnale australe risulti generalmente più debole. EPPCGS

La situazione cambia profondamente durante EQBO a 70°S, rappresentata dai pannelli (j–l). Nella mesosfera, la risposta anomala è particolarmente pronunciata e agisce contro la climatologica risalita australe, indicando un sostanziale indebolimento della circolazione. Secondo Yu et al., proprio la EQBO produce il segnale mesosferico australe più evidente in condizioni di BSPV debole. Questa differenza rispetto all’emisfero boreale è importante: mentre la WQBO accentua maggiormente la risposta mesosferica settentrionale, la EQBO rende più evidente quella meridionale.

Nella stratosfera medio-superiore australe, pannello (k), emerge uno dei risultati più interessanti della Figura 7. La climatologia alle alte latitudini stratosferiche è caratterizzata da subsidenza, mentre l’anomalia tende verso il moto ascendente o, equivalentemente, a ridurre la discesa. La BDC australe viene pertanto indebolita. Ma, a differenza dell’emisfero settentrionale, qui onde planetarie e onde di gravità agiscono nello stesso senso e presentano ampiezze confrontabili. Yu et al. sottolineano esplicitamente questa caratteristica, che introduce una fondamentale asimmetria emisferica nel rapporto fra PW e GW. EPPCGS

Questo risultato significa che il ruolo delle gravity waves non può essere sintetizzato con una semplice regola universale. Nell’emisfero settentrionale, nella stratosfera superiore, esse tendono a contrastare l’anomalia planetaria; nell’emisfero meridionale durante EQBO, invece, possono rafforzarla. Il segno della relazione fra i due forcing dipende quindi dal background flow, dalla fase QBO, dall’emisfero e dalla distribuzione verticale del momentum deposition.

Nella stratosfera medio-inferiore australe, pannello (l), il contributo delle gravity waves diminuisce nuovamente e l’indebolimento della BDC viene controllato soprattutto dalle onde planetarie. Si ripresenta dunque la stessa gerarchia verticale osservata nel nord: le PW dominano alle quote inferiori, le GW diventano progressivamente più rilevanti salendo nella stratosfera e assumono il controllo principale nella mesosfera. Ciò che cambia fra i due emisferi è il segno relativo dei contributi nella regione di transizione.

Questa gerarchia verticale è perfettamente coerente con la climatologia ricavata dalle rianalisi. Sato e Hirano mostrano che le onde di Rossby costituiscono il principale forcing della BDC stratosferica, ma che le gravity waves sono indispensabili per descriverne correttamente l’estensione alle alte latitudini e acquistano importanza crescente alle quote maggiori. CiNii Diallo, Ern e Ploeger (2021), utilizzando ERA5, confermano inoltre che la componente advettiva della BDC presenta una forte variabilità con quota e stagione e che il contributo dei differenti wave drags cambia sostanzialmente lungo la verticale. ACP

La Figura 7 fornisce quindi una dimostrazione diretta del fatto che la BDC non può essere descritta adeguatamente tramite un unico valore di “intensità”. La stessa configurazione BSPV debole può essere contemporaneamente associata a una stratosfera boreale con BDC rafforzata e a una mesosfera boreale con circolazione indebolita. Nell’emisfero meridionale, la risposta può essere sincrona con quella boreale durante WQBO ma diventare opposta durante EQBO. Inoltre, all’interno della stessa stratosfera, il massimo dell’anomalia può trovarsi più in alto o più in basso a seconda della fase della QBO.

Il recente lavoro di Baikhadzhaev et al. rafforza proprio la necessità di una lettura verticalmente differenziata. Gli autori mostrano che la BDC può essere separata dinamicamente in branche con differenti sorgenti di wave driving e che le metriche aggregate possono nascondere differenze sostanziali tra circolazione profonda e superficiale. ACPQuesto principio è particolarmente utile per interpretare Yu et al.: una WQBO con vortice debole e una EQBO con vortice debole non sono dinamicamente equivalenti, anche se entrambe producono un rafforzamento della circolazione stratosferica boreale.

Le implicazioni riguardano anche il trasporto dei costituenti atmosferici. La BDC controlla la distribuzione dell’ozono, del vapore acqueo, degli aerosol e di numerosi traccianti a lunga vita, con effetti sul bilancio radiativo e sul clima. DOISe il massimo del ramo discendente anomalo si trova nella stratosfera superiore durante WQBO, la perturbazione interesserà maggiormente il trasporto della branca profonda; durante EQBO, lo spostamento verso la stratosfera inferiore può produrre un’influenza più diretta sulle regioni più prossime alla UTLS. Questa conseguenza non viene direttamente quantificata da Yu et al., ma rappresenta un’implicazione fisica plausibile della differente struttura verticale mostrata nella figura.

Linz et al. invitano tuttavia alla cautela nel collegare direttamente variazioni di \(w^*\) a variazioni dei traccianti. Il mixing isentropico e altri processi di trasporto possono modificare il rapporto fra circolazione residua e composizione atmosferica, soprattutto nella bassa stratosfera. ACP Per questo la Figura 7 deve essere interpretata anzitutto come una diagnosi della dinamica advettiva, non come una previsione automatica dell’anomalia di ozono o di altri costituenti.

Un altro elemento di rilievo è l’evidenza della forte asimmetria fra WQBO ed EQBO nella risposta emisferica. Questa caratteristica è coerente con il fatto che la relazione QBO–vortice non è una semplice teleconnessione lineare. Anstey e Shepherd mostrano che l’effetto Holton–Tan dipende dal livello utilizzato per definire la QBO, dalla stagione e dall’interazione con altre sorgenti di variabilità come ENSO e ciclo solare. Royal Meteorological Society (RMetS) Il fatto che Yu et al. mantengano fisso uno stato di BSPV debole e trovino comunque differenze sostanziali fra WQBO ed EQBO dimostra che la fase equatoriale continua a esercitare un’influenza sulla geometria della risposta anche dopo aver separato esplicitamente il contributo della forza del vortice.

Questo punto consente di distinguere il ruolo dei due principali controlli dello studio. Il BSPV determina in larga misura il segno della risposta stratosferica boreale: vortice debole associato a maggiore dissipazione delle onde planetarie e BDC rafforzata; vortice forte, come verrà mostrato nelle analisi successive, associato al comportamento opposto. La QBO, invece, agisce soprattutto sulla posizione verticale della risposta e sulla sua distribuzione interemisferica. Questa separazione concettuale rappresenta uno dei contributi più eleganti del lavoro di Yu et al.

La Figura 7 consente inoltre di comprendere in modo concreto perché sia necessario includere la mesosfera quando si studia la stratosfera. La forte risposta delle gravity waves alle quote superiori non rimane confinata alla mesosfera ma contribuisce alla circolazione sottostante attraverso il downward control. Un modello con un limite superiore troppo basso potrebbe quindi sottostimare o rappresentare in modo incompleto una parte del forcing capace di compensare la risposta planetaria della stratosfera superiore. Questo costituisce una delle ragioni principali per cui l’utilizzo di WACCM5, con un dominio esteso ben oltre la stratopausa, è particolarmente adatto al problema affrontato dagli autori.

Il risultato deve essere tuttavia interpretato ricordando che una parte importante dello spettro delle gravity waves viene parametrizzata. Fritts e Alexander sottolineano come la rappresentazione delle sorgenti, dello spettro delle velocità di fase, dei processi di saturazione e della dissipazione delle onde costituisca ancora una delle principali fonti di incertezza nella modellistica della media atmosfera. AGU Journals Anche Sato e Hirano riscontrano differenze fra rianalisi nel contributo attribuibile alle GW, soprattutto nella stratosfera superiore. CiNii Pertanto il rapporto quantitativo fra PW e GW ottenuto da Yu et al. deve essere letto come un risultato della specifica configurazione modellistica e non come una frazione invariabile della circolazione reale.

Ciò non riduce però l’importanza del risultato qualitativo, che appare molto robusto: procedendo dalla bassa stratosfera verso la mesosfera si osserva un progressivo passaggio di controllo dinamico dalle onde planetarie alle onde di gravità. Nella regione intermedia i due forcing sono entrambi rilevanti e possono interferire costruttivamente o distruttivamente a seconda dell’emisfero. La Figura 7 è forse la rappresentazione più efficace di questo concetto nell’intero articolo, perché mostra direttamente la risposta della velocità verticale anziché soltanto il forcing che la produce.

Dal punto di vista fisico, la figura può essere interpretata come una sequenza verticale di regimi. Nella stratosfera medio-inferiore la circolazione viene controllata quasi esclusivamente dalla dissipazione delle onde planetarie. Nella stratosfera superiore entra in gioco il gravity-wave forcing, abbastanza intenso da ridurre di circa metà la risposta planetaria boreale o, nell’emisfero australe durante EQBO, da agire insieme ad essa. Nella mesosfera le gravity waves assumono infine il controllo principale e determinano il segno delle anomalie della grande cella estiva-invernale.

Questa interpretazione offre anche una prospettiva più generale sulla dinamica del sistema QBO–vortice–BDC. Le onde planetarie provenienti dalla troposfera modificano il vortice polare attraverso il loro momentum deposition; il vortice modificato cambia il filtro attraversato dalle gravity waves; il diverso spettro di GW che raggiunge la mesosfera modifica il gravity-wave drag; il forcing mesosferico retroagisce sulla circolazione sottostante attraverso il downward control; la QBO, infine, modifica contemporaneamente la propagazione delle onde planetarie e il filtraggio delle gravity waves. Il risultato osservato nella Figura 7 è quindi la manifestazione finale di una rete di interazioni che coinvolge l’intera colonna della media atmosfera.

In questo senso, il significato scientifico della Figura 7 va ben oltre la semplice individuazione di alcuni profili verticali di \(w^*\). Essa dimostra che la forza della Brewer–Dobson circulation è una proprietà locale e tridimensionale, non un singolo numero globale. Per descrivere correttamente un’anomalia della BDC è necessario specificare la quota, la latitudine, l’emisfero, la fase della QBO, lo stato del vortice polare e la categoria di onde responsabile del forcing.

Nel caso specifico del BSPV debole, il quadro finale può essere sintetizzato dinamicamente nel seguente modo. La stratosfera boreale presenta una BDC rafforzata, guidata principalmente dalle onde planetarie; il massimo del rafforzamento viene collocato nella stratosfera medio-superiore durante WQBO e più in basso durante EQBO. Nella stratosfera superiore le gravity waves contrastano il forcing planetario boreale e ne riducono sostanzialmente l’effetto. La mesosfera presenta invece una circolazione indebolita, dominata quasi interamente dalle anomalie delle gravity waves, con una risposta più pronunciata al nord durante WQBO e al sud durante EQBO. Nell’emisfero australe la WQBO tende a produrre una risposta stratosferica concorde con quella boreale, mentre durante EQBO la BDC stratosferica si indebolisce; nella stratosfera superiore australe, inoltre, PW e GW possono contribuire con lo stesso segno e con ampiezza comparabile. EPPCGS

La Figura 7 rappresenta quindi una verifica quantitativa del principale messaggio di Yu et al. (2025): le onde planetarie dominano la variabilità della BDC stratosferica, ma il ruolo delle onde di gravità diventa progressivamente più importante con la quota e non può essere trascurato nella stratosfera superiore; la QBO non si limita a modulare l’intensità del vortice, ma controlla la posizione verticale della risposta, mentre lo stato del vortice determina in larga misura il segno della perturbazione boreale. La mesosfera e la stratosfera emergono così non come due sistemi indipendenti, ma come parti di un’unica struttura accoppiata nella quale il forcing delle onde, il vento medio e la circolazione residua si modificano reciprocamente lungo tutta la verticale.

Figura 8 – Risposta della Brewer–Dobson circulation durante un vortice polare stratosferico boreale forte: ruolo delle onde planetarie, delle onde di gravità e modulazione della QBO

Figura 8 – Risposta della Brewer–Dobson circulation durante un vortice polare stratosferico boreale forte: ruolo delle onde planetarie, delle onde di gravità e modulazione della QBO

La Figura 8 di Yu et al. (2025) rappresenta il naturale completamento della Figura 6 e permette di comprendere come la circolazione di Brewer–Dobson reagisca quando il vortice polare stratosferico boreale si trova in una fase forte anziché debole. L’importanza della figura risiede nel fatto che essa separa, ancora una volta, il contributo delle onde planetarie da quello delle onde di gravità e mostra come la loro combinazione determini l’anomalia effettiva della funzione di corrente di massa nelle due fasi della Quasi-Biennial Oscillation. I pannelli (a–c) descrivono la situazione durante WQBO, mentre i pannelli (d–f) riguardano EQBO; all’interno di ciascun gruppo, il primo pannello rappresenta la risposta associata alle onde planetarie, il secondo quella delle onde di gravità e il terzo la loro azione complessiva. Il quadro che emerge è particolarmente coerente: sotto un BSPV forte, la BDC stratosferica boreale tende a indebolirsi, mentre la mesosfera mostra una risposta di segno opposto, con una circolazione mediamente rafforzata. La QBO, inoltre, continua a svolgere un ruolo essenziale nel determinare la quota alla quale si concentra la massima anomalia e nel modulare la relazione fra i due emisferi. EPPCGS

Per comprendere in profondità la figura è necessario partire dal significato dinamico della funzione di corrente di massa. La Brewer–Dobson circulation non è una semplice corrente meridionale, ma la manifestazione su grande scala della risposta dell’atmosfera al forcing delle onde. La circolazione residua è caratterizzata da risalita tropicale, trasporto verso le medie e alte latitudini e subsidenza extratropicale, ma la sua intensità e geometria dipendono dalla distribuzione verticale e meridionale del wave drag. Butchart ha mostrato come la BDC debba essere interpretata essenzialmente come una circolazione guidata dalle onde, nella quale la deposizione di quantità di moto modifica il vento zonale e produce, attraverso il bilancio del momento angolare, una circolazione meridiano-verticale compensatrice. AGU Journals

Nel contesto della Figura 8 è particolarmente importante ricordare che il segno dell’anomalia della funzione di corrente deve essere letto rispetto alla climatologia locale. Nell’emisfero settentrionale la branca stratosferica della BDC durante NDJF presenta prevalentemente valori positivi della funzione di corrente; un’anomalia negativa ne riduce quindi il valore assoluto e indica un indebolimento della circolazione. Nell’emisfero meridionale, invece, la stessa branca possiede climatologicamente segno opposto; di conseguenza, un’anomalia positiva può corrispondere a una diminuzione dell’intensità della circolazione, mentre un’anomalia negativa può rafforzarla. Per questo i colori non possono essere interpretati semplicemente come “rafforzamento” o “indebolimento” senza considerare contemporaneamente i contorni climatologici.

Il pannello (a), relativo alla configurazione BSPV forte e WQBO, mostra una vasta anomalia negativa della funzione di corrente prodotta dalle onde planetarie nella stratosfera boreale. Si tratta della risposta quasi speculare rispetto a quella osservata durante un BSPV debole. Il risultato indica che la circolazione verso il polo e il ramo discendente alle alte latitudini settentrionali risultano più deboli rispetto alla climatologia. La causa dinamica è coerente con quanto mostrato nella precedente Figura 4: in condizioni di vortice forte, la stratosfera boreale presenta anomalie di divergenza del flusso di Eliassen–Palm, ossia una diminuzione della climatologica convergenza dell’attività delle onde planetarie. Una minore convergenza implica una minore deposizione di momento verso ovest e quindi un torque meno intenso sul flusso medio; di conseguenza, la circolazione meridiana residua necessaria a bilanciare tale forcing risulta più debole. EPPCGS

Questa relazione fra onde planetarie, vortice e BDC rappresenta uno degli elementi più consolidati della dinamica stratosferica. Sato e Hirano, utilizzando quattro moderne rianalisi, hanno mostrato che la branca profonda della circolazione stratosferica dell’emisfero invernale è sostenuta principalmente dalle onde planetarie, mentre le onde a scala più piccola e le gravity waves contribuiscono maggiormente in altri settori verticali e latitudinali. La loro analisi evidenzia inoltre che la posizione e l’intensità della subsidenza extratropicale dipendono strettamente dalla distribuzione del forcing ondulatorio. ACP

Un vortice forte non deve essere quindi interpretato semplicemente come una massa d’aria polare più fredda o come un jet più intenso. Esso rappresenta anche uno stato nel quale, mediamente, il forcing decelerante delle onde planetarie è ridotto rispetto ai casi di vortice debole. Ciò significa che il sistema conserva più facilmente venti occidentali intensi e che il ramo discendente della BDC boreale viene meno sostenuto dal wave driving. La Figura 8 traduce questa relazione direttamente nella funzione di corrente e mostra come il segno del forcing planetario venga convertito in una risposta della circolazione meridiana.

L’emisfero australe del pannello (a) mostra una configurazione differente ma dinamicamente coerente. Durante WQBO, la funzione di corrente planetaria presenta anomalie prevalentemente positive nella stratosfera australe. Poiché la climatologia locale possiede segno negativo, questa anomalia riduce il valore assoluto della circolazione e corrisponde quindi anch’essa a un indebolimento della BDC. Durante WQBO e BSPV forte, pertanto, la risposta stratosferica dei due emisferi tende a essere sincrona: sia il ramo boreale sia quello australe risultano meno intensi. Yu et al. identificano proprio questo comportamento come una delle caratteristiche distintive della fase occidentale della QBO. EPPCGS

Il pannello (b), che isola il contributo delle onde di gravità durante WQBO, introduce però una componente dinamica completamente diversa. Nella stratosfera superiore e nella mesosfera boreale compaiono anomalie positive della funzione di corrente che risultano opposte alle anomalie planetarie del pannello precedente. Di conseguenza, le gravity waves tendono a contrastare l’indebolimento della BDC prodotto dalle onde planetarie. Questo comportamento è particolarmente importante perché dimostra che la risposta finale non può essere dedotta osservando soltanto il forcing dominante: nella stratosfera boreale le PW impongono il segno principale dell’anomalia, ma le GW ne riducono l’ampiezza.

La capacità delle onde di gravità di modificare in modo sostanziale la circolazione superiore è coerente con la teoria della media atmosfera. Fritts e Alexander hanno mostrato come le gravity waves trasportino quantità di moto verticalmente e come la diminuzione della densità atmosferica ne favorisca l’aumento di ampiezza con la quota. Quando le onde saturano, diventano instabili o rompono, rilasciano il proprio momento nel flusso medio e possono esercitare un’influenza profonda sulla circolazione e sulla struttura termica della stratosfera superiore e della mesosfera. AGU Journals

Il fatto che il contributo delle GW sia opposto a quello planetario nell’emisfero settentrionale costituisce uno dei risultati più robusti dell’intero lavoro di Yu et al. Nella stratosfera superiore, l’intensità delle anomalie della BDC associate alle gravity waves può raggiungere circa la metà di quella prodotta dalle onde planetarie. Questo significa che una diagnosi basata esclusivamente sulle PW tenderebbe a sovrastimare sensibilmente l’anomalia effettiva della circolazione. EPPCGS

È però fondamentale interpretare correttamente questa percentuale. Non significa che le onde di gravità sostengano sempre metà della BDC stratosferica globale. Il rapporto riguarda le anomalie della stratosfera superiore nelle specifiche condizioni simulate da WACCM5 e può variare con quota, stagione, fase della QBO e stato del vortice. La sua importanza è soprattutto concettuale: dimostra che il contributo gravitazionale non è abbastanza piccolo da poter essere trascurato e che, nella regione di transizione fra stratosfera e mesosfera, esso può modificare radicalmente la risposta risultante.

Il pannello (c), che somma i contributi di PW e GW durante WQBO, rende evidente proprio questa compensazione. Nella stratosfera boreale l’anomalia totale conserva il segno negativo associato alle onde planetarie, quindi la BDC resta indebolita, ma l’ampiezza è minore rispetto al caso planetario isolato. Nella mesosfera, invece, la struttura complessiva assomiglia molto più alla risposta delle gravity waves. La figura mostra quindi una transizione verticale estremamente chiara: dominanza planetaria nella stratosfera, dominanza gravitazionale nella mesosfera e forte interazione delle due componenti nella stratosfera superiore.

Questo comportamento è coerente con la climatologia delle rianalisi. Sato e Hirano mostrano che le onde di Rossby costituiscono il principale driver della circolazione stratosferica, ma che le gravity waves sono essenziali per spiegare la circolazione alle quote superiori e l’estensione della BDC alle alte latitudini. ACP Diallo, Ern e Ploeger hanno inoltre dimostrato con ERA5 che differenze nell’intensità del wave drag planetario e gravitazionale possono produrre differenze sostanziali nella forza della BDC, soprattutto nella stratosfera superiore e nelle regioni polari. ACP

La fase EQBO, rappresentata nei pannelli (d–f), conserva il segno generale della risposta boreale determinato dal BSPV forte, ma ne modifica profondamente la struttura verticale. Nel pannello (d), relativo alle sole onde planetarie, la funzione di corrente boreale presenta nuovamente anomalie negative, dunque una BDC indebolita. Tuttavia, rispetto alla WQBO, il nucleo principale della risposta tende a spostarsi verso quote inferiori. È uno dei risultati più consistenti dello studio: la fase della QBO non sembra controllare in prima istanza il segno della risposta boreale, che dipende soprattutto dal vortice, ma regola con notevole efficacia la quota alla quale l’anomalia della branca discendente raggiunge la massima intensità. EPPCGS

Durante WQBO il centro dell’anomalia tende a essere collocato nella stratosfera superiore; durante EQBO viene spostato verso la stratosfera inferiore. Questa differenza è dinamicamente plausibile alla luce della relazione Holton–Tan. Anstey e Shepherd hanno mostrato che l’influenza della QBO sulle alte latitudini non può essere ridotta a una semplice corrispondenza fra vento equatoriale e vortice polare, ma coinvolge cambiamenti nella propagazione delle onde planetarie, nella circolazione meridiana secondaria e nella struttura del vento subtropicale. Royal Meteorological Society (RMetS) La diversa quota alla quale le onde vengono rifratte e dissipate può quindi produrre una risposta verticale distinta della BDC pur mantenendo invariato il segno generale della perturbazione.

Questo punto è scientificamente molto importante perché dimostra che una BDC “indebolita” non rappresenta uno stato univoco. Un’anomalia concentrata nella stratosfera superiore durante WQBO e una localizzata più in basso durante EQBO possono avere la stessa polarità ma implicazioni differenti per il trasporto verticale, per il ramo profondo e per la bassa stratosfera extratropicale. La posizione verticale della risposta diventa quindi una variabile dinamica fondamentale, non un semplice dettaglio della distribuzione.

Nell’emisfero meridionale, il pannello (d) mostra invece una netta inversione rispetto alla WQBO. Durante EQBO e BSPV forte compaiono anomalie negative della funzione di corrente planetaria nella stratosfera australe. Poiché la climatologia locale è anch’essa negativa, il valore assoluto della funzione di corrente aumenta e la BDC australe viene rafforzata. Ne deriva una risposta antifasica tra i due emisferi: circolazione boreale indebolita e circolazione australe rafforzata. Yu et al. sottolineano che proprio durante EQBO il comportamento della BDC australe tende a opporsi a quello dell’emisfero settentrionale. EPPCGS

Questa differenza interemisferica costituisce uno degli aspetti più originali del lavoro. Nell’emisfero settentrionale il segno della risposta è fortemente legato allo stato del BSPV; nell’emisfero meridionale la QBO assume un peso maggiore e può addirittura determinare il passaggio da una risposta sincrona a una antifasica rispetto al nord. Lo studio conclude inoltre che questa modulazione australe della QBO risulta particolarmente pronunciata sotto condizioni di BSPV forte. EPPCGS

Il pannello (e) mostra che anche il contributo delle gravity waves cambia fra WQBO ed EQBO. Nella stratosfera superiore boreale le GW producono nuovamente anomalie di segno opposto rispetto alle PW e continuano quindi a contrastare l’indebolimento planetario della BDC. La loro struttura verticale, tuttavia, risulta modificata, coerentemente con il diverso filtraggio imposto dalle fasce di vento equatoriale e subtropicale della EQBO.

Questo filtraggio rappresenta uno dei processi più importanti nella dinamica delle onde di gravità. Lo spettro delle GW comprende onde con differenti velocità di fase e direzioni di propagazione; il vento di fondo ne determina la velocità intrinseca e seleziona quali componenti riescano a superare la stratosfera e quali vengano assorbite a livelli più bassi. Fritts e Alexander mostrano che la distribuzione verticale del vento e della stabilità controlla fortemente l’evoluzione dello spettro delle gravity waves e il luogo della loro dissipazione. AGU Journals Una variazione della QBO può quindi spostare il livello di deposizione del momento e modificare di conseguenza la circolazione residua.

L’emisfero meridionale del pannello (e) suggerisce invece una relazione differente fra le due categorie di onde. In varie regioni della stratosfera australe, il contributo gravitazionale tende ad avere lo stesso segno di quello planetario. Questo significa che, a differenza dell’emisfero boreale, le due componenti possono agire in maniera cooperativa anziché compensarsi. Questa asimmetria fra i due emisferi è esplicitamente richiamata dagli autori nelle conclusioni dello studio: nel nord le anomalie PW e GW tendono a opporsi, mentre nel sud presentano più frequentemente la stessa polarità. EPPCGS

Il pannello (f) sintetizza quindi una configurazione particolarmente interessante: durante EQBO e BSPV forte, la stratosfera boreale presenta una BDC indebolita, ma parzialmente compensata dalle onde di gravità, mentre la stratosfera australe presenta una BDC rafforzata, sostenuta dall’azione concorde delle diverse categorie di onde. Nella mesosfera continua invece a prevalere il contributo delle GW. Il risultato è una circolazione globale fortemente asimmetrica fra i due emisferi.

Il confronto tra i pannelli (c) e (f) permette quindi di comprendere in modo molto chiaro la doppia funzione della QBO. Da una parte essa regola la posizione verticale della risposta boreale: più alta durante WQBO, più bassa durante EQBO. Dall’altra modifica la relazione interemisferica: sincronismo tra nord e sud durante WQBO e antifase durante EQBO. Il BSPV stabilisce invece soprattutto il segno della risposta boreale, che sotto vortice forte è caratterizzata da indebolimento della BDC.

Questo schema trova supporto anche negli studi osservativi e nelle rianalisi. Diallo et al. hanno mostrato che la QBO modula in maniera sistematica la struttura della BDC e che il planetary-wave drag e il gravity-wave drag contribuiscono in proporzioni differenti alla variabilità della circolazione. Inoltre, le differenze fra ERA5 ed ERA-Interim risultano particolarmente marcate nella stratosfera superiore proprio a causa di differenze nel forcing planetario e gravitazionale, a conferma della sensibilità di questa regione alla rappresentazione delle onde. ACP

Un elemento fondamentale della Figura 8 è inoltre la relazione fra stratosfera e mesosfera. Mentre la BDC stratosferica boreale si indebolisce durante un BSPV forte, la circolazione mesosferica tende a rafforzarsi. Questo comportamento opposto dimostra che non è corretto descrivere l’intera media atmosfera tramite un singolo indice di “forza della BDC”. Stratosfera e mesosfera rispondono a forcing differenti: le onde planetarie dominano nella prima, le gravity waves nella seconda. Un vortice forte modifica simultaneamente entrambi i sistemi, ma in modi diversi.

La ragione risiede nel ruolo del vortice come filtro delle onde. Il BSPV forte non è soltanto il risultato di una minore dissipazione planetaria; costituisce anche un nuovo profilo di vento attraverso il quale le gravity waves devono propagarsi. Cambiando il vento occidentale, cambia lo spettro delle onde che riesce a raggiungere la mesosfera. Il risultato è una modifica del gravity-wave drag e quindi della circolazione mesosferica. Si instaura così una catena dinamica nella quale le onde planetarie contribuiscono allo stato del vortice e lo stato del vortice modifica a sua volta il comportamento delle onde di gravità.

Questa interazione diventa ancora più importante se si considera il principio del downward control. Haynes et al. dimostrarono che, in condizioni extratropicali quasi stazionarie, la circolazione residua a un determinato livello può essere controllata dal forcing zonale integrato esercitato dagli eddies alle quote sovrastanti. American Meteorological Society Journals Ciò significa che il gravity-wave drag mesosferico non è dinamicamente isolato dalla stratosfera inferiore: variazioni del forcing alle quote superiori possono modificare la funzione di corrente sottostante.

Questo meccanismo spiega perché le anomalie della funzione di corrente attribuite alle GW possano risultare opposte alle anomalie planetarie anche quando il forcing locale nella stratosfera sembra suggerire una relazione diversa. La funzione di corrente riflette infatti l’integrazione verticale del torque e non soltanto la sua distribuzione locale. La Figura 8 deve quindi essere interpretata come la risposta integrata della colonna atmosferica al sistema di forcing, non come una semplice mappa delle accelerazioni locali.

La moderna separazione dinamica delle branche della BDC rafforza questa interpretazione. Lo studio di Baikhadzhaev et al. (2025), basato su quattro rianalisi, mostra che la struttura della circolazione può essere separata in differenti rami proprio in funzione del wave driving e che le diverse componenti rispondono a famiglie di onde differenti. ACP Ciò conferma che la distribuzione verticale del forcing è tanto importante quanto la sua intensità complessiva.

La Figura 8 possiede inoltre implicazioni importanti per il trasporto chimico stratosferico. Butchart ha mostrato che la BDC controlla la distribuzione di ozono, vapore acqueo, aerosol e numerosi gas a lunga vita e contribuisce a determinare l’età dell’aria stratosferica. AGU Journals Se una fase WQBO concentra l’indebolimento della circolazione soprattutto nella stratosfera superiore, le conseguenze sul trasporto della branca profonda saranno differenti rispetto a una EQBO nella quale il massimo dell’anomalia è spostato verso la stratosfera inferiore.

È quindi plausibile che due configurazioni caratterizzate dalla stessa riduzione integrata della BDC possano produrre risposte differenti nella distribuzione dell’ozono o di altri traccianti, proprio perché cambia la quota alla quale il trasporto verticale viene maggiormente modificato. Lo studio di Yu et al. non quantifica direttamente queste conseguenze chimiche, ma la struttura mostrata nella Figura 8 suggerisce chiaramente che il problema non possa essere ridotto a una semplice variazione uniforme dell’intera colonna stratosferica.

Il confronto con la Figura 6 offre infine una sintesi particolarmente efficace. Con BSPV debole, la risposta stratosferica boreale era caratterizzata da un rafforzamento della BDC; con BSPV forte la risposta si inverte e la circolazione si indebolisce. Le anomalie planetarie cambiano segno in maniera quasi speculare, così come gran parte della risposta gravitazionale. Il ruolo della QBO, invece, rimane sorprendentemente coerente nei due regimi: WQBO mantiene il centro della risposta più in alto, EQBO lo sposta verso quote inferiori.

Questo suggerisce una distinzione dinamica molto interessante. La forza del vortice polare determina prevalentemente la polarità della perturbazione boreale, mentre la QBO controlla soprattutto la geometria verticale e la distribuzione interemisferica della risposta. È una separazione concettuale estremamente utile, perché consente di interpretare BSPV e QBO non come due semplici indici sovrapposti, ma come due componenti che agiscono su aspetti differenti della stessa circolazione.

Occorre comunque ricordare che la relazione fra QBO e vortice polare è statistica e non deterministica. Anstey e Shepherd sottolineano che la teleconnessione Holton–Tan dipende dalla stagione, dal livello utilizzato per definire la fase della QBO e dall’interazione con altri modi di variabilità, fra cui ENSO e ciclo solare. Royal Meteorological Society (RMetS) La presenza nello studio di tutte e quattro le combinazioni possibili tra QBO e BSPV è quindi un punto di forza, perché permette di separare almeno parzialmente gli effetti che sarebbero altrimenti confusi in semplici compositi EQBO–WQBO.

Dal punto di vista modellistico rimane inoltre una cautela importante. Le onde planetarie di grande scala sono in larga misura risolte direttamente da WACCM5, mentre una parte sostanziale delle gravity waves viene rappresentata attraverso parametrizzazioni. Fritts e Alexander sottolineano che la modellizzazione del gravity-wave forcing dipende dalle ipotesi sulle sorgenti, sulle velocità di fase, sui processi di saturazione e di dissipazione. AGU Journals Sato e Hirano mostrano analogamente che le stime del contributo delle GW differiscono fra rianalisi e possono presentare incertezze significative nella stratosfera superiore. ACP

Questo significa che il valore quantitativo del contributo gravitazionale deve essere interpretato con prudenza, mentre la struttura qualitativa del risultato appare molto robusta: le PW dominano la stratosfera, le GW la mesosfera, e nella stratosfera superiore entrambe contribuiscono significativamente alla variabilità. La Figura 8 rende questa gerarchia particolarmente evidente proprio perché mostra separatamente e poi congiuntamente i tre contributi.

Nel complesso, la Figura 8 offre quindi una rappresentazione estremamente chiara della BDC in condizioni di vortice polare stratosferico boreale forte. Nella stratosfera dell’emisfero settentrionale la circolazione si indebolisce principalmente per effetto di una ridotta attività dissipativa delle onde planetarie; nella stratosfera superiore, le onde di gravità tendono a contrastare questa risposta e possono ridurne sensibilmente l’intensità; nella mesosfera, invece, sono le GW a controllare la struttura principale della circolazione e a produrre un rafforzamento rispetto ai casi di vortice debole. EPPCGS

La QBO conferisce infine alla risposta una forte organizzazione verticale ed emisferica. Durante WQBO, l’indebolimento boreale tende a concentrarsi alle quote superiori e la BDC australe evolve nello stesso senso, producendo una configurazione relativamente sincrona fra i due emisferi. Durante EQBO, il massimo della risposta boreale scende verso la stratosfera inferiore mentre l’emisfero australe reagisce in senso opposto, mostrando un rafforzamento della circolazione. Questa differenza dimostra che la QBO non agisce semplicemente come modulatore dell’intensità del vortice, ma come vero regolatore tridimensionale della risposta della BDC.

Il messaggio più profondo della figura è dunque che la Brewer–Dobson circulation non può essere descritta attraverso una relazione lineare del tipo “vortice forte uguale BDC debole” senza specificare quota, emisfero e tipo di forcing. Nella stratosfera boreale tale relazione è effettivamente evidente, ma contemporaneamente la mesosfera può mostrare la risposta opposta; le gravity waves possono compensare le PW al nord ma rafforzarle al sud; la QBO può spostare verticalmente il centro della risposta e invertire la relazione fra i due emisferi. La Figura 8 mostra quindi con grande efficacia che la BDC è il risultato di una rete verticale e interemisferica di interazioni fra onde, vento medio, QBO e vortice polare, piuttosto che l’espressione di un singolo meccanismo dinamico isolato.