Accoppiamento Stratosfera-Troposfera Durante gli Estremi Stratosferici nell’Inverno 2022/23

Accoppiamento Stratosfera-Troposfera Durante gli Estremi Stratosferici nell’Inverno 2022/23
Qian Lu a,c, Jian Rao a,* , Chunhua Shi a, Rongcai Ren b,a, Yimin Liu b, Siming Liu d
RIASSUNTO
Utilizzando la rianalisi ERA5, le osservazioni della temperatura superficiale del mare, il ghiaccio marino e l’indice multivariato in tempo reale dell’Oscillazione Madden-Julian (MJO), è stata esplorata l’evoluzione della circolazione estrema stratosferica nell’inverno del 2022/2023. Il vortice polare stratosferico è stato disturbato tre volte nell’inverno 2022/23, a differenza di una sola perturbazione durante gli altri tre inverni recenti con un evento di riscaldamento stratosferico improvviso (SSW). Sono state esaminate le condizioni favorevoli per le forti perturbazioni stratosferiche e i loro effetti sull’ozono stratosferico, la distribuzione del vapore acqueo e la temperatura vicino alla superficie. Intorno al 7 dicembre 2022, quando un breve ma forte impulso dell’onda planetaria numero 2 è apparso dalla troposfera alla stratosfera, si è formato un vortice polare stratosferico indebolito e allungato a 10 hPa. Questo impulso è correlato con l’intensificarsi della cresta degli Urali e l’approfondimento della depressione dell’Asia Orientale. Dopo la prima perturbazione stratosferica, una grande frazione di anomalie fredde si è verificata nel continente eurasiatico. Un impatto ritardato dopo queste perturbazioni stratosferiche è stato osservato come forti anomalie fredde formatesi in Nord America dal 13 al 23 dicembre. Il 28 gennaio 2023, si è verificato un evento minore di SSW a causa di uno spostamento del vortice polare stratosferico. Un forte impulso del flusso di calore delle onde, contribuito alternativamente dall’onda planetaria numero 1 e 2, ha mostrato un grande effetto cumulativo sulla perturbazione stratosferica. Tuttavia, l’impatto verso il basso di questa seconda perturbazione è stato debole, e le ondate di freddo non sono state notevoli dopo questo SSW minore. La terza perturbazione stratosferica di questo inverno è un importante SSW di tipo dislocativo avvenuto il 16 febbraio 2023, e il flusso totale del calore delle onde, principalmente contribuito dall’onda planetaria numero 1, è aumentato rapidamente. Seguendo il principale SSW, il continente nordamericano è stato coperto da grandi macchie di forti anomalie fredde fino alla fine di marzo. Durante le tre perturbazioni, la circolazione residua si è corrispondentemente rafforzata. Il vapore acqueo e l’ozono negli strati medi e bassi della stratosfera polare hanno mostrato disturbi di anomalia positiva, specialmente dopo l’inizio del principale SSW. Le frequenti perturbazioni stratosferiche senza precedenti nell’inverno 2022/23 sono state accompagnate da una grave perdita di ghiaccio marino del Mare di Barents-Laptev e da temperature superficiali del mare tropicali del Pacifico anormalmente fredde (La Niña), che sono state riferite come favorevoli per l’incremento delle onde planetarie 1 e 2 rispettivamente. Inoltre, due settimane prima del principale SSW, l’MJO esistente si è sviluppato nelle fasi 4–6, contribuendo anche all’occorrenza del principale SSW.

1. Introduzione

Il vortice polare stratosferico (SPV) è un sistema di circolazione su larga scala che occupa la regione polare in inverno e gioca un ruolo cruciale nell’accoppiamento stratosfera-troposfera (Matsuno, 1971; Held et al., 2002; Tian et al., 2023). Lo stato del vortice polare stratosferico è una fonte importante per migliorare la prevedibilità della troposfera su scale temporali sub-stagionali e stagionali (Tripathi et al., 2015; Rao et al., 2019b, 2022, 2023; Domeisen e Butler, 2020; Domeisen et al., 2020a; 2020b). Studi recenti hanno collegato l’estensione dello SPV alla straordinaria ondata di freddo in parti dell’Eurasia e del Nord America (Cohen et al., 2021; Ding et al., 2023). La forza e la posizione del vortice polare stratosferico sono influenzate dalle onde di Rossby su scala planetaria, che si propagano verticalmente dalla troposfera alla stratosfera polare e si dissolvono lì (Charney e Drazin, 1961; Polvani e Waugh, 2004; Zhang et al., 2016). In alcuni inverni con forte influenza di onde planetarie che si propagano dalla troposfera alla stratosfera, i venti stratosferici occidentali nelle regioni circumpolari si invertono in orientali e il gradiente di temperatura dalle medie alle alte latitudini si inverte, evento noto nella letteratura esistente come un importante evento di riscaldamento stratosferico improvviso (SSW) (Butler et al., 2015; Rao et al., 2019a; Baldwin et al., 2021). In alcuni inverni, si verifica un evento di SSW minore quando la temperatura nella calotta polare stratosferica aumenta e il gradiente di temperatura si inverte, mentre i venti occidentali circumpolari rallentano ma non si invertono in orientali (Limpasuvan et al., 2004; Baldwin et al., 2021).

Gli SSW si verificano molto più frequentemente nell’Artico che in Antartide, e si verificano circa sei o sette volte per decennio nell’emisfero nord (NH) (Charlton e Polvani, 2007; Cao et al., 2019; Rao et al., 2021). Tuttavia, nell’emisfero sud (SH) è stato osservato solo un importante SSW nel settembre 2002 (Allen et al., 2006; Liu e Roble, 2005), sebbene un fenomeno simile sia avvenuto all’inizio di settembre 2019, che era un SSW minore (Rao et al., 2020b; Shen et al., 2020). In base alla forma e alla struttura del vortice polare stratosferico, gli eventi di SSW maggiori sono classificati come spostamenti del vortice e tipi di scissione (Charlton e Polvani, 2007; Seviour et al., 2013). Lo SSW di spostamento del vortice è caratterizzato dal deviare del vortice polare dalla regione polare, e lo SSW di scissione del vortice è caratterizzato dall’allungamento e dalla scissione del vortice polare (Rao e Garfinkel, 2020a; Baldwin et al., 2021). Alcuni SSW sono associati a un potenziamento delle onde planetarie dalla troposfera (Yoden et al., 1999). Le fonti di onde planetarie vicino alla tropopausa possono anche giocare un ruolo importante nello sviluppo degli SSW (de la Cámara et al., 2019; Boljka e Birner, 2020).

Durante la comparsa degli SSW, le anomalie della circolazione stratosferica assomigliano a una modalità dipolare circolare, nota come modalità annulare settentrionale (NAM) (Baldwin e Dunkerton, 2001; Baldwin e Thompson, 2009). Con la propagazione verso il basso del segnale NAM associato al disturbo stratosferico, l’Oscillazione Artica troposferica (AO) si evolve verso la sua fase negativa (Karpechko et al., 2018), e aumenta la probabilità di irruzioni di aria fredda su scala continentale (Thompson et al., 2002; Yu et al., 2015; Lu et al., 2021b). Si è scoperto che gli SSW possono anche influenzare la variabilità sub-stagionale della qualità dell’aria vicino alla superficie e modulare le condizioni di diffusione delle particelle atmosferiche (Lu et al., 2021a, 2022a, 2022b; Dai et al., 2022). Sia le osservazioni che gli studi di modellizzazione suggeriscono che possono esistere differenze tra gli effetti degli SSW di spostamento e di scissione sulla troposfera e vicino alla superficie. Le statistiche dai campioni di osservazione limitati mostrano che gli SSW di scissione hanno una durata più lunga e una propagazione verso il basso più marcata. Di conseguenza, l’effetto degli SSW di scissione sulla superficie è maggiore e più evidente rispetto a quelli di spostamento (Rao e Garfinkel, 2020a; Liang et al., 2022; Lu et al., 2022a). Tuttavia, questa differenza non si presenta quando la dimensione del campione aumenta usando simulazioni di modelli (Maycock e Hitchcock, 2015; White et al., 2019). Inoltre, gli eventi SSW influenzano anche la distribuzione di gas stratosferici come l’ozono e il vapore acqueo (Schoeberl e Hartmann, 1991; Manney et al., 2009; de la Cámara et al., 2018a, 2018b).

I fattori chiave che influenzano il vortice polare stratosferico includono l’oscillazione quasi-biennale (QBO), l’El Niño-Oscillazione Australe (ENSO) e il ghiaccio marino artico (Baldwin et al., 2021). È ampiamente riportato che il vortice polare stratosferico tende ad essere più freddo e più forte durante la fase occidentale della QBO, mentre è anomalamente caldo e debole durante la fase orientale della QBO (Andrews et al., 2019; Anstey e Shepherd, 2014; Chen e Wei, 2009). Le statistiche delle osservazioni hanno mostrato che gli SSW appaiono più frequentemente durante la fase orientale della QBO rispetto alla fase occidentale (Rao et al., 2019a). Allo stesso modo, la riduzione del ghiaccio marino artico e moderati El Niño sono favorevoli per il potenziamento delle onde planetarie dalla troposfera alla stratosfera e l’inizio degli eventi SSW (Kim et al., 2014; Lu et al., 2021b; Rao et al., 2020a).

Nel periodo 2014–2023, si sono verificati quattro SSW maggiori nell’emisfero nord. Tuttavia, il vortice polare stratosferico nell’inverno 2022/23 è stato molto diverso dagli altri SSW (febbraio 2018, gennaio 2019 e gennaio 2021). Il vortice polare stratosferico è stato disturbato tre volte nell’inverno 2022/23, a differenza di una sola perturbazione durante gli altri tre inverni recenti con un SSW (Fig. 1). Poiché le due perturbazioni (dicembre 2022, gennaio 2023) nella prima metà dell’inverno 2022/23 non sono riuscite a scatenare un evento di riscaldamento improvviso, il vortice debole è persistito fino a febbraio 2023. Un altro impulso di onda troposferica è apparso nel febbraio 2023 e ha infine portato all’inizio di un importante SSW. Questo studio mira ad esaminare l’evoluzione della circolazione stratosferica durante questo particolare inverno, che non è stato segnalato. Il documento è organizzato come segue: dopo l’introduzione, la sezione 2 presenta i dati e la metodologia. La sezione 3 mostra l’evoluzione del vortice polare stratosferico nell’inverno 2022/23. La sezione 4 illustra gli effetti degli SSW sulla temperatura vicino alla superficie di 2m, il vapore acqueo stratosferico e l’ozono. La sezione 5 esplora le condizioni di fondo, che potrebbero essere favorevoli al SSW 2022/23. Infine, la sezione 6 presenta le conclusioni e la discussione.

2. Dati e Metodologia

2.1. Dati
Questo studio utilizza i dati di rianalisi di quinta generazione (ERA5) del Centro Europeo per le Previsioni Meteorologiche a Medio Termine (ECMWF) dal 1950 al 2023. La rianalisi ERA5 ha una risoluzione nominale di 0.25° x 0.25° con il limite superiore del modello a 0.01 hPa. Per facilitarne la gestione, i dati sono stati raccolti con una risoluzione orizzontale di 1° (latitudine) x 1° (longitudine) a 37 livelli di pressione da 1000 a 1 hPa in direzione verticale (Hersbach et al., 2020). Le variabili della rianalisi ERA5 analizzate in questo studio includono l’altezza geopotenziale, i venti zonali e meridionali, la temperatura dell’aria, il vapore acqueo e l’ozono. Le variabili a singolo livello utilizzate in questo studio includono la temperatura a 2 metri. I dati mensili sulla concentrazione di ghiaccio marino e sulla temperatura della superficie del mare durante il periodo 1950–2023 sono stati forniti dal Centro Hadley dell’Ufficio Meteorologico (HadISST1), con una risoluzione orizzontale di 1° x 1° (Rayner et al., 2003). L’indice dell’Oscillazione di Madden-Julian multivariata in tempo reale (MJO) è stato utilizzato per testare l’impatto potenziale dell’oscillazione intrasazonale tropicale sull’occorrenza degli SSW (Wheeler e Hendon, 2004).

2.2. Metodi
La climatologia di ciascuna variabile è calcolata utilizzando la media a lungo termine dal 1979 al 2022. Le anomalie per una variabile si riferiscono alle deviazioni tra i dati giornalieri grezzi e la climatologia giornaliera liscia (media mobile di 31 giorni). Poiché la componente verticale del flusso di Eliassen-Palm è approssimativamente proporzionale al flusso di calore dell’onda trasitoria, i venti meridionali giornalieri e la temperatura sono utilizzati per calcolare il flusso di calore dell’onda in questo studio. La media ponderata dell’area del flusso di calore dell’onda da 45 a 75°N a 300 hPa e 100 hPa è utilizzata per rappresentare la propagazione verticale delle onde planetarie dalla troposfera e dalla bassa stratosfera. L’ozono della colonna stratosferica è calcolato integrando verticalmente il rapporto di miscelazione dell’ozono diviso per l’accelerazione gravitazionale. La unità dello stratospheric ozone is converted from kg/m^2 to Dobson unit with a rough estimate of 1 DU = 2.1415 × 10^−5 kg/m^2. Nel calcolare la circolazione di Brewer Dobson, la velocità residua verticale è calcolata come la differenza tra la componente del vento verticale e la deviazione zonale della componente del vento potenziale moltiplicata per la deviazione zonale della temperatura potenziale, divisa per la pressione e corretta per la latitudine e il raggio terrestre.

La Figura 1 presenta due grafici che illustrano le perturbazioni del vortice polare artico durante l’inverno (da dicembre a febbraio) dal 1993/94 al 2022/23, utilizzando dati raccolti alla quota di 10 hPa.

1. (a) Giorni con venti orientali: Questo grafico a linee mostra il numero di giorni in cui si sono verificati venti orientali a tre diverse latitudini: 60°N, 70°N e 80°N. Ogni linea rappresenta una delle latitudini e mostra le fluttuazioni nel numero di giorni con venti orientali per ogni stagione invernale dal 1993 al 2023. Si notano picchi che indicano inverni con un numero maggiore di giorni di venti orientali, e queste fluttuazioni sono diverse a seconda della latitudine.
2. (b) Numero di volte con inversione dei venti zonali: Il secondo grafico a barre mostra il numero di volte in cui il vento zonale medio ha invertito la sua direzione da ovest a est durante gli stessi periodi invernali alle stesse tre latitudini. Le barre per ciascuna latitudine sono colorate diversamente (rosso per 80°N, verde per 70°N, blu per 60°N) e mostrano la frequenza delle inversioni dei venti. Si osserva che la frequenza di tali eventi varia notevolmente da anno a anno e tra le diverse latitudini.

In entrambi i grafici, si può osservare come la variabilità dei venti orientali e delle inversioni zonali sia maggiore a latitudini più elevate, riflettendo la dinamica complessa e variabile del vortice polare a queste latitudini. L’intervallo temporale tra la fine della prima perturbazione dei venti orientali e l’inizio della successiva perturbazione dei venti orientali nello stesso inverno è superiore a 15 giorni, suggerendo una certa persistenza delle condizioni di vento prima che si verifichi un’altra inversione significativa.

3. Evoluzione del vortice polare stratosferico durante l’inverno 2022/23

3.1. Panoramica delle perturbazioni del vortice polare artico negli ultimi 30 anni

La Figura 1 mostra le statistiche delle perturbazioni stratosferiche esaminando l’evoluzione del numero di giorni di venti zonali medi orientali a tre latitudini (60°N, 70°N, 80°N) a 10 hPa negli ultimi tre decenni. In generale, la perturbazione del vento zonale medio è più frequente vicino al polo, probabilmente a causa della distanza dal nucleo del getto occidentale. Sia il numero di giorni con venti orientali in inverno che il numero di volte in cui il vento zonale medio si inverte da occidentale a orientale sono più elevati a 80°N, vicino alla regione polare, rispetto alle altre due latitudini (Butler e Gerber, 2018). Nell’inverno del 2003/04, ci sono stati il maggior numero di giorni con venti orientali a 80°N e 70°N, ma la perturbazione stratosferica si è verificata solo una volta in ciascuna delle tre latitudini. Nell’inverno del 2008/09, il numero di giorni con venti orientali a 60°N è stato il più alto, correlato con l’evento SSW del 24 gennaio e la sua lunga durata, ma la perturbazione stratosferica si è verificata solo una volta. È degno di nota che nell’inverno del 2022/23 si sono verificate tre perturbazioni stratosferiche a 80°N, evento molto raro negli ultimi tre decenni, ad eccezione dell’inverno del 1998/99. Nell’ultimo decennio, perturbazioni stratosferiche così frequenti si sono formate solo una volta. Anche se due perturbazioni sono state osservate in tre inverni (2014/15, 2015/16 e 2016/17), nessun importante SSW si è formato in quegli inverni.

3.2. SSW Minori e Maggiori nell’Inverno 2022/23

L’evoluzione temporale di vari parametri atmosferici dal 16 novembre 2022 al 1 aprile 2023 è mostrata nella Figura 2. Durante il periodo dal 6 all’8 dicembre 2022, i venti occidentali a 70°N e 80°N hanno subito una rapida decelerazione, e i venti zonali a latitudine 80°N si sono addirittura invertiti in venti orientali (Fig. 2a). Tuttavia, il gradiente di temperatura osservato tra 80°N e 60°N non ha mostrato inversioni nel suo segno (Fig. 2d). Pertanto, la prima perturbazione del vortice polare stratosferico è stata di breve durata e debole. Il 28 gennaio 2023, è stata osservata un’altra rapida diminuzione dei venti occidentali, con i venti occidentali a 60°N che sono scesi al di sotto dei 15 m/s; i venti occidentali a 70°N e 80°N si sono addirittura invertiti in venti orientali con i venti orientali massimi di >18 m/s a 80°N per 6 giorni (Fig. 2a). Contemporaneamente, è stata osservata l’inversione del gradiente di temperatura tra 60°N e il Polo Nord, con la massima differenza di temperatura tra 80°N e 60°N intorno ai 12 K (Fig. 2d). Pertanto, la seconda perturbazione della stratosfera è stata un SSW minore. Dal 16 febbraio 2023, i venti occidentali a 60°N si sono trasformati in venti orientali e sono durati per 23 giorni con recuperi intermittenti di venti occidentali per 2 giorni. Inoltre, il gradiente di temperatura nella calotta polare si è anch’esso invertito, e la massima differenza di temperatura tra 80°N e 60°N ha raggiunto i >29 K. Pertanto, la terza perturbazione della stratosfera nell’inverno 2022/23 è stata un SSW maggiore. La durata del SSW maggiore (16 febbraio) è stata molto lunga, tre volte la durata media degli SSW storici (8 giorni) (Rao et al., 2021). Questo riflette principalmente una forte forzatura dinamica persistente che prevale sull’effetto di raffreddamento non adiabatico durante questo periodo.

L’evoluzione spazio-temporale delle anomalie dei venti zonali a 10 hPa è stata esaminata anche (Fig. 2b). Per la prima perturbazione il 7 dicembre 2022, le anomalie locali dei venti orientali si sono estese verso sud dalla regione polare fino a circa 65°N con l’ampiezza massima intorno ai 20 m/s tra 75°N e 85°N. Per il SSW minore il 28 gennaio 2023, le anomalie dei venti orientali si sono espanse verso sud fino a 60°N con l’ampiezza massima intorno ai 30 m/s vicino a 75°N. La graduale propagazione polare delle anomalie dei venti orientali dalle medie latitudini al Polo Nord è stata evidente nel gennaio 2023. Quando si è verificato il SSW maggiore, i venti orientali hanno raggiunto il Polo Nord, e le anomalie dei venti si sono gradualmente amplificate.

Basandosi sull’evoluzione spazio-temporale delle anomalie dei venti zonali a 70°N (Fig. 2c), la prima rapida perturbazione ha mostrato anomalie dei venti orientali simultanee dalla stratosfera alla superficie vicina. Le anomalie dei venti orientali durante il SSW minore si sono propagate solo fino a 50 hPa. Le anomalie dei venti orientali durante il SSW maggiore sono durate dalla metà di febbraio alla fine di marzo, con le anomalie dei venti che si sono propagate verso il basso fino a 200 hPa.

Dall’evoluzione spazio-temporale delle anomalie di temperatura a 10 hPa (Fig. 2e), la prima perturbazione stratosferica intorno al 7 dicembre 2022 non è stata accompagnata da anomalie calde, e si sono sviluppate anomalie fredde (~-10K) a nord del 60°N. Al contrario, le anomalie calde sono più evidenti durante gli SSW minori e maggiori. Le anomalie calde durante l’SSW minore intorno al 28 gennaio possono estendersi a sud del 50°N. Le massime anomalie calde si sono formate nella regione polare in seguito all’inizio dell’SSW maggiore (20-30 K). La propagazione verso nord delle anomalie orientali è stata accompagnata anche dalla propagazione verso nord delle anomalie calde dalle medie latitudini all’Artico (Fig. 2e rispetto alla Fig. 2b).

L’evoluzione spazio-temporale della pressione delle anomalie di temperatura conferma ulteriormente che le anomalie stratosferiche fredde hanno dominato all’inizio dell’inverno mentre le anomalie stratosferiche calde hanno prevalso verso la fine dell’inverno (Fig. 2f). Un breve indebolimento intermittente delle anomalie fredde è apparso durante la prima perturbazione, e le anomalie calde si sono rinforzate durante gli SSW minori e maggiori.

L’evoluzione delle anomalie standardizzate dell’altezza della calotta polare, che sono un sostituto per l’indice NAM, è stata molto simile a quella delle anomalie di temperatura della calotta polare (Fig. 2g), mentre le anomalie di altezza si sono estese dalla stratosfera molto più in basso verso la troposfera rispetto alle anomalie di temperatura. La prima perturbazione stratosferica ha mostrato una risposta simultanea e ritardata nella troposfera, chiaramente indicata dalle anomalie positive di altezza. Durante il periodo dell’SSW minore, la perturbazione stratosferica non era accoppiata alla troposfera. Le anomalie di altezza troposferica sono seguite con ritardo alle anomalie stratosferiche durante la terza perturbazione, suggerendo una propagazione verso il basso dei segnali stratosferici. Per confronto, la risposta nella troposfera per la prima perturbazione e l’SSW maggiore è stata più forte rispetto all’SSW minore.Le onde planetarie troposferiche possono propagarsi verso l’alto nella stratosfera polare e modulare l’intensità del vortice polare stratosferico. Per attribuire il contributo del numero d’onda planetario 1 e del numero d’onda 2 in dettaglio, la Figura 3 mostra il flusso di calore medio delle onde a 100 hPa e 300 hPa, rispettivamente, che è proporzionale alla componente verticale del flusso di E-P. Dal 2 al 7 dicembre, il flusso di calore totale delle onde è stato principalmente contribuito dal numero d’onda 2 sia a 100 che a 300 hPa. A causa della breve durata dell’impulso dell’onda troposferica, il vortice polare stratosferico debole si è ripreso molto rapidamente sebbene fosse allungato a 10 hPa all’inizio dell’inverno. Dal 3 al 28 gennaio, il flusso di calore totale delle onde a 100 hPa ha iniziato ad aumentare, superando la sua climatologia. È stato alternativamente contribuito dal numero d’onda 1 e numero d’onda 2, ma il numero d’onda 1 ha dominato e ha raggiunto il picco prima della data di inizio della seconda perturbazione stratosferica (ovvero l’SSW minore con il suo inizio il 28 gennaio). Il flusso di calore delle onde a 300 hPa ha anche raggiunto il picco nella data di inizio dell’SSW minore, ma è stato contribuito in modo equivalente dai numeri d’onda 1, 2 e persino 3. Dal 9 febbraio 2023, il flusso di calore totale delle onde contribuito dal numero d’onda 1 è aumentato rapidamente a 100 hPa, inducendo l’occorrenza di un SSW maggiore il 16 febbraio 2023. Da allora, i numeri d’onda 1 e 2 si sono propagati alternativamente verso l’alto e sono persistiti fino al 5 marzo 2023. Analogamente, il flusso di calore totale delle onde dominato dal numero d’onda 1 era visibile anche a 300 hPa, superando la sua climatologia la maggior parte del tempo. Si noti che l’improvviso aumento del flusso di calore delle onde a 300 hPa prima del 7 dicembre e del 16 febbraio ha preceduto quello a 100 hPa, mentre il 28 gennaio l’impulso dell’onda a 100 hPa è stato precedente rispetto a quello a 300 hPa.

La Figura 4 mostra l’evoluzione del vortice polare stratosferico nell’emisfero nord a 10 hPa durante diversi periodi di picco del flusso di calore delle onde. Dal 2 al 7 dicembre, quando il numero d’onda 2 ha dominato il flusso di calore totale delle onde, il vortice polare è stato allungato, con uno dei due centri che si estendeva verso l’Eurasia e l’altro verso il Nord America. Di conseguenza, sono state osservate anomalie negative di altezza sui due continenti settentrionali, e un centro anomalo alto è stato osservato nella Groenlandia meridionale (Fig. 4a). Dal 13 al 18 gennaio, quando i numeri d’onda 1 e 2 hanno contribuito in modo uguale al flusso di calore totale delle onde (Fig. 3a), il vortice polare stratosferico si è spostato verso l’Eurasia e l’Atlantico Nord, e il centro di bassa altezza si è sviluppato in forma ellittica con l’asse maggiore che si estendeva dalla Groenlandia attraverso l’Artico fino all’Eurasia (Fig. 4b).

Le anomalie massime di altezza bassa possono raggiungere circa 800 gpm. Dal 22 al 28 gennaio, quando il flusso di calore totale delle onde era dominato dal numero d’onda 1, la forma del vortice polare non ha mostrato un cambiamento evidente, con un indebolimento dell’ampiezza delle anomalie (Fig. 4c). Dal 9 al 16 febbraio, quando le onde totali erano dominate dal numero d’onda 1, il vortice polare è stato spostato verso l’Eurasia, con le anomalie positive di altezza che coprivano il Nord America (Fig. 4d). Dal 17 al 22 febbraio, il centro di alta pressione sopra il Pacifico settentrionale si è spostato verso l’Artico quando le anomalie positive di altezza hanno coperto l’intero Artico (Fig. 4e). Dal 25 febbraio al 3 marzo, il modello negativo del NAM è persistito (Fig. 4f).

Le anomalie di altezza geopotenziale a 500 hPa sono mostrate nella Fig. 5. Dal 2 al 7 dicembre, le anomalie di altezza geopotenziale mostrano un evidente modello di numero d’onda 2, con i due centri di anomalia bassa rispettivamente sopra l’Asia orientale e il Canada e due centri di anomalia alta rispettivamente sopra il Pacifico settentrionale e l’Atlantico settentrionale. L’onda anomala 2 era in fase con l’onda climatologica 2 per aumentare le onde planetarie totali (Fig. 5a). L’allungamento del vortice polare stratosferico è stato attribuito alla propagazione verso l’alto delle onde. Dal 13 al 18 gennaio 2023, le anomalie di altezza geopotenziale presentavano un modello misto di numeri d’onda 1 e 2. Ad esempio, le anomalie positive sugli Urali e le anomalie negative sulla costa dell’Asia orientale erano in fase con il modello climatologico di numero d’onda 2, il che ha potenziato l’alta cresta degli Urali e la depressione dell’Asia orientale (Fig. 5b). Analogamente, le anomalie negative di altezza sopra il Pacifico settentrionale e le anomalie positive di altezza sopra l’Atlantico settentrionale potevano aumentare l’ampiezza del numero d’onda climatologico 1. Dal 22 al 28 gennaio 2023, le anomalie positive di altezza dall’Europa occidentale alla costa atlantica e le anomalie negative di altezza sulle coste asiatiche orientali ricordavano un modello di numero d’onda 1, che si sovrapponeva alla sua climatologia (Fig. 5c). Inoltre, le anomalie negative di altezza sull’Asia orientale e le anomalie positive di altezza sul Pacifico orientale erano in fase con il numero d’onda climatologico 2.

Dal 9 al 16 febbraio 2023, le anomalie di altezza hanno iniziato a diminuire (Fig. 5d), in linea con l’evoluzione del flusso di calore delle onde (Fig. 3). Durante il periodo dal 17 al 22 febbraio, le anomalie di altezza nella troposfera si sono ri-sviluppate: il centro di anomalia positiva sopra il Pacifico nord-orientale e il centro di anomalia negativa sopra il Canada artico erano in fase con il numero d’onda climatologico 2, e il modello Pacifico-Nord America si è sviluppato verso la fase negativa, che denotava un aumento delle onde totali (Fig. 5e). Dal 25 febbraio al 2 marzo, la propagazione verso il basso dei segnali stratosferici ha influenzato la troposfera con un modello simile al NAO negativo sopra il settore atlantico nord, e le anomalie di altezza nella troposfera media erano fuori fase con i numeri d’onda climatologici 1 o 2 (Fig. 5f).

La Figura 2 mostra l’evoluzione temporale di varie metriche dal 16 novembre 2022 al 1 aprile 2023 relative alla stratosfera e alla troposfera. Ecco la descrizione dettagliata di ciascun pannello della figura:

1. (a) Anomalie del vento zonale medio zonale a tre latitudini (60°N, 70°N, e 80°N) su 10 hPa (unità: m/s): Questo grafico mostra le anomalie dei venti zonali (da ovest a est) alle specifiche latitudini nel corso del periodo specificato. Le anomalie sono rappresentate per tre diverse latitudini nella stratosfera alta, indicando variazioni nella velocità del vento rispetto alla norma stagionale.
2. (b) Evoluzione spazio-temporale delle anomalie del vento zonale medio zonale a 10 hPa (ombreggiature, unità: m/s): Questo pannello mostra come le anomalie dei venti zonali cambiano sia con la latitudine che nel tempo, visualizzando la diffusione e l’intensità delle anomalie lungo l’intero spettro latitudinale.
3. (c) Evoluzione spazio-temporale delle anomalie del vento zonale medio zonale a 70°N (ombreggiature, unità: m/s): Concentrandosi su una latitudine specifica, questo grafico traccia le anomalie dei venti zonali su vari livelli di pressione, mostrando come le anomalie varino dalla superficie fino alla stratosfera superiore.
4. (d) Evoluzione del gradiente di temperatura nella regione della calotta polare denotato dalla differenza di temperatura tra 80°N e 60°N (unità: K): Questo grafico evidenzia come il gradiente di temperatura tra due latitudini polari vari nel tempo, un indicatore importante delle condizioni di circolazione stratosferica e dei potenziali eventi di riscaldamento stratosferico.
5. (e) Evoluzione spazio-temporale delle anomalie della temperatura zonale media a 10 hPa (ombreggiature; unità: K): Simile al pannello (b), ma per le temperature anziché per i venti, mostrando come le anomalie di temperatura si sviluppino e si propaghino attraverso diverse latitudini.
6. (f) Evoluzione spazio-temporale delle anomalie di temperatura della calotta polare (ombreggiature; unità: K): Questo grafico mostra le variazioni di temperatura in diversi livelli di pressione nella regione della calotta polare, utile per identificare cambiamenti significativi come quelli associati agli eventi di riscaldamento stratosferico.
7. (g) Evoluzione spazio-temporale delle anomalie standardizzate dell’altezza geopotenziale della calotta polare (ombreggiature): Fornisce una visione delle variazioni dell’altezza geopotenziale, che è direttamente correlata alla pressione atmosferica. Le anomalie qui possono indicare cambiamenti dinamici significativi nell’atmosfera sopra la calotta polare.

Ogni grafico contribuisce a un quadro complessivo delle dinamiche atmosferiche durante il periodo in esame, essenziale per comprendere la dinamica del vortice polare e le sue interazioni con la troposfera.

La Figura 3 mostra l’evoluzione del flusso di calore delle onde di Eddy a 100 hPa e 300 hPa. I grafici tracciano il contributo al flusso di calore delle onde per i diversi numeri d’onda planetari e per il totale delle onde nella regione compresa tra 45°N e 75°N. Questo flusso di calore è una misura chiave per valutare come le onde atmosferiche trasferiscono energia e momento dalla troposfera alla stratosfera, influenzando così il vortice polare stratosferico.

1. (a) Flusso di calore delle onde di Eddy a 100 hPa:
   • Linea nera (Totale): Mostra il flusso di calore totale delle onde.
   • Linea blu (Numero d’onda 1): Rappresenta il contributo del primo numero d’onda planetario al flusso di calore delle onde.
   • Linea rossa (Numero d’onda 2): Indica il contributo del secondo numero d’onda planetario.
   • Linea verde (Numero d’onda 3): Visualizza il contributo del terzo numero d’onda planetario.
   • Linea grigia (Climatologico): Mostra il flusso di calore delle onde totale secondo la climatologia, fornendo un riferimento per valutare l’attività delle onde rispetto alla norma stagionale.
   • Linea verticale nera: Segna la data di inizio delle perturbazioni stratosferiche o dell’SSW (Riscaldamento Stratosferico Improvviso).
2. (b) Flusso di calore delle onde di Eddy a 300 hPa:
   • La configurazione delle linee è la stessa del pannello (a), ma il focus qui è sulla quota di 300 hPa, che è più vicina alla troposfera rispetto a 100 hPa, fornendo un’indicazione su come le onde influenzano la parte inferiore della stratosfera o la parte superiore della troposfera.

Questi grafici sono cruciali per comprendere come le differenti scale di onde (wavenumber 1, 2, e 3) contribuiscano al trasferimento di energia verso la stratosfera e come questo impatti gli eventi meteorologici significativi come gli SSW, che possono avere effetti a cascata sul clima delle medie e alte latitudini. La presenza di picchi nel flusso di calore delle onde indica periodi di intensa attività delle onde, che spesso corrispondono a cambiamenti dinamici significativi nella stratosfera.

La Figura 4 illustra l’evoluzione del vortice polare a 10 hPa e le anomalie dell’altezza geopotenziale in sei periodi distinti. Ecco la descrizione dettagliata di ciascun pannello rappresentato nella figura:

1. (a) 2-7 dicembre 2022: Mostra il vortice polare con un esteso campo di anomalie negative di altezza geopotenziale (colorate in blu) sopra l’Eurasia e il Nord America, indicando un vortice allungato con due centri principali. Questa configurazione suggerisce una distorsione del vortice polare associata a significativi flussi di calore eddico (come indicato nella Figura 3).
2. (b) 13-18 gennaio 2023: Il vortice polare appare spostato verso l’Eurasia e l’Atlantico Nord con un centro di bassa altezza sviluppato in forma ellittica, estendendosi dall’Artico verso l’Eurasia. Le anomalie positive (colorate in arancione) sopra la Groenlandia indicano un’alta pressione in questa regione.
3. (c) 22-28 gennaio 2023: Durante questo periodo, il vortice continua a mostrare uno spostamento, con una pronunciata anomalia positiva sopra la Groenlandia e le anomalie negative che dominano l’Artico e le regioni settentrionali dell’Eurasia, coerente con un forte contributo del numero d’onda 1 al flusso di calore delle onde.
4. (d) 9-16 febbraio 2023: Il vortice polare è spostato in maniera significativa verso l’Eurasia, con intense anomalie positive che coprono il Nord America. Questo periodo corrisponde a un’intensificazione del contributo del numero d’onda 1, come indicato nella Figura 3 per il flusso di calore delle onde.
5. (e) 17-22 febbraio 2023: Il centro di alta pressione sopra il Pacifico settentrionale si sposta verso l’Artico, con anomalie positive di altezza che ora coprono l’intera regione artica. Questo schema riflette una fase di ulteriore intensificazione del vortice e di amplificazione delle onde atmosferiche.
6. (f) 25 febbraio-3 marzo 2023: Si osserva un pattern di NAM negativo persistente con anomalie positive di altezza sopra l’Artico e anomalie negative più a sud, che estendono il loro effetto sulle medie latitudini.

In sintesi, questa figura rappresenta chiaramente l’evoluzione dinamica del vortice polare in relazione ai cambiamenti nelle onde planetarie e nei flussi di calore delle onde. Queste configurazioni del vortice sono cruciali per comprendere gli impatti dei fenomeni meteorologici estremi nelle latitudini medie e alte, inclusi gli eventi di riscaldamento stratosferico improvviso (SSW).

La Figura 5 illustra l’evoluzione delle anomalie di altezza geopotenziale a 500 hPa e la distribuzione dei numeri d’onda climatologici 1 e 2. Ecco una spiegazione dettagliata di ciascun pannello della figura:

1. (a) 2-7 dicembre 2022:
   • Le ombreggiature indicano le anomalie di altezza geopotenziale, con valori negativi (in blu) e positivi (in rosso).
   • I contorni mostrano la posizione e l’intensità dei numeri d’onda climatologici 1 e 2, aiutando a visualizzare come queste strutture d’onda interagiscono con le anomalie osservate.
   • In questo periodo, si nota un forte contrasto tra alte anomalie positive sopra l’Atlantico Nord e negative sopra l’Eurasia, tipico dell’influenza del numero d’onda 2.
2. (b) 13-18 gennaio 2023:
   • Anomalie positive e negative sono più distribuite, con un evidente centro di bassa altezza (blu) che si estende dall’Artico verso l’Europa e Asia.
   • L’interazione tra i numeri d’onda 1 e 2 crea una complessa configurazione di altezze che può influenzare i modelli meteorologici di superficie.
3. (c) 22-28 gennaio 2023:
   • Anomalie di altezza positive dominano sopra l’Atlantico e il Pacifico, con negative significative su parte dell’Eurasia.
   • La struttura mostra un chiaro impatto del numero d’onda 1 che si estende in modo più marcato dall’Atlantico verso l’Eurasia.
4. (d) 9-16 febbraio 2023:
   • Il pattern delle anomalie si intensifica con forti altezze positive sopra il Nord America e negative estese sopra l’Asia.
   • Questo periodo riflette un’alta attività del numero d’onda 1, influenzando significativamente il vortice polare.
5. (e) 17-22 febbraio 2023:
   • Un centro di alta pressione è evidente sopra il Pacifico Nord, mentre l’Artico mostra anomalie negative estese.
   • L’attività combinata dei numeri d’onda 1 e 2 modella profondamente la circolazione atmosferica in questo periodo.
6. (f) 25 febbraio-3 marzo 2023:
   • Le anomalie di altezza continuano a mostrare una distribuzione complessa, con un pattern negativo NAM che persiste.
   • Le interazioni tra i numeri d’onda e le anomalie di altezza suggeriscono continui scambi energetici tra troposfera e stratosfera.

In generale, la Figura 5 aiuta a comprendere come le onde planetarie modellano la struttura della circolazione atmosferica a livello medio e come questi cambiamenti possano influenzare le condizioni meteorologiche a livello globale. Le anomalie di altezza a 500 hPa sono particolarmente importanti per interpretare le dinamiche atmosferiche che influenzano il clima delle medie latitudini.

4. Anomalie climatiche durante l’inverno 2022/2023
4.1 Evoluzione del vapore acqueo e dell’ozono stratosferico

La distribuzione di gas traccianti durante il disturbo stratosferico può riflettere i cambiamenti della circolazione stratosferica e aiutare a rivelare il meccanismo dinamico nella stratosfera (Schoeberl e Hartmann, 1991; Manney et al., 2009). La Figura 6 mostra l’evoluzione della distribuzione di vapore acqueo e ozono, e la componente verticale standardizzata della circolazione BD dal 16 novembre 2022 al 1 aprile 2023 nella regione del cappuccio polare. La Figura 6a mostra i cambiamenti del vapore acqueo stratosferico nella regione artica, e si può osservare che le alte concentrazioni di vapore acqueo nella stratosfera sono principalmente concentrate vicino alla stratopausa. Durante la fase di forte vortice polare tra il primo disturbo del vortice polare stratosferico e il minor SSW, la regione di alta concentrazione di vapore acqueo si trova a 2–5 hPa, con un contenuto massimo di vapore acqueo di 3,8 ppm. Dopo l’occorrenza di un minor SSW, la zona ad alta concentrazione di vapore acqueo è salita sopra i 2 hPa, e dopo l’inizio del maggiore SSW, il centro del contenuto più elevato di vapore acqueo ha superato i 4 ppm. L’eruzione del vulcano di Tonga il 15 gennaio 2022 ha iniettato una grande quantità di solfato e vapore acqueo nella stratosfera, e si stima che il vapore acqueo sia aumentato nella stratosfera di circa il 10% (Millan et al., 2022). Sotto l’effetto della circolazione BD, il vapore acqueo dalle regioni tropicali potrebbe essere trasportato nella regione artica. La Figura 6b mostra che il vapore acqueo nella stratosfera media e bassa sotto i 50 hPa nella regione artica è superiore del 6%. Le anomalie negative di vapore acqueo nella stratosfera superiore si propagano gradualmente verso il basso dopo il primo disturbo del vortice polare. Dopo l’inizio del maggiore SSW, il vapore acqueo è inferiore del 3% e il segnale dell’anomalia si propaga verso il basso fino a 10 hPa. La Figura 6c mostra l’evoluzione in latitudine-tempo del vapore acqueo a 10 hPa. Si può vedere che le anomalie positive di vapore acqueo si propagano dai tropici all’Artico. Dopo l’inizio del maggiore SSW, le anomalie positive di vapore acqueo si propagano solo verso nord fino a 60°N. Dalla velocità residua verticale standardizzata nelle regioni artiche e tropicali, si può vedere che prima dei tre disturbi stratosferici c’erano alcuni impulsi di aumento nel flusso ascendente della circolazione residua nella regione tropicale e nel flusso discendente nella regione polare (Figure 6g e h). Il potenziamento del ramo di affondamento della circolazione BD vicino alla regione polare spiega la propagazione verso il basso delle anomalie negative di vapore acqueo nella stratosfera superiore dal 20 dicembre al 26 febbraio, specialmente dopo l’inizio del maggiore SSW. Tuttavia, il vapore acqueo nella stratosfera media e bassa nelle regioni polari aumenta.

Similmente alla distribuzione del vapore acqueo, l’ozono nella stratosfera è principalmente concentrato nella stratosfera superiore tra i 20 e 1 hPa. Dopo l’inizio del minor SSW il 28 gennaio, la concentrazione di ozono nella stratosfera superiore è aumentata a 9 ppm. Dopo il maggiore SSW il 16 febbraio, la concentrazione di ozono ha continuato a salire, e un centro di circa 10 ppm è apparso successivamente a 10 hPa e 2-5 hPa. Con il rafforzamento della circolazione BD durante i tre disturbi stratosferici (Fig. 6g e h), il contenuto di ozono nella stratosfera media è aumentato (Fig. 6d, e). Specialmente dopo il maggiore SSW del 16 febbraio, il contenuto di ozono nella stratosfera media e bassa era circa il 20% superiore alla climatologia. Dall’evoluzione in latitudine-tempo dell’ozono a 10 hPa, si osservano anomalie positive di ozono che si propagano dalle medie latitudini all’Artico. Il contenuto di ozono vicino alla stratopausa, che si trova vicino a 1 hPa, è circa il 20% superiore alla climatologia mezzo mese dopo l’inizio del maggiore SSW (Fig. 6e e f). È stato riportato che gli SSW portano a tendenze chimiche negative per l’ozono durante il riscaldamento iniziale dell’SSW e tendenze chimiche positive man mano che il vortice inizia a recuperare a livelli di pressione superiori a 20 hPa (de la Camara et al., 2018b), il che spiega l’aumento del contenuto di ozono alla stratopausa.

La Figura 7 mostra la distribuzione delle anomalie di ozono stratosferico e delle anomalie di altezza a 50 hPa nella regione polare dell’emisfero settentrionale per sei periodi focalizzati. Le anomalie di altezza geopotenziale riflettono i cambiamenti nei regimi del vortice polare, e le anomalie positive di ozono corrispondono sostanzialmente alle anomalie positive di altezza geopotenziale dopo l’inizio del maggiore SSW. Dal 4 all’8 dicembre 2022, la concentrazione di ozono era alta nel nord-est dell’Asia, nell’est del Nord America e nel Regno Unito-Europa occidentale (Fig. 7a). Dal 22 dicembre 2022 al 13 gennaio 2023, la concentrazione di ozono era bassa nella regione del cappuccio polare e nel nord del Nord America, e relativamente alta sull’Eurasia settentrionale (Fig. 7b). Dal 26 al 31 gennaio, la concentrazione di ozono nell’est del Nord America è aumentata (Fig. 7c). Dal 4 al 9 febbraio, la concentrazione di ozono nell’Eurasia nordorientale-nordest del Nord America è aumentata (Fig. 7d). Con lo spostamento del vortice polare stratosferico dall’Artico dopo il maggiore SSW, le concentrazioni di ozono nella regione del cappuccio polare sono aumentate (Fig. 7e e f).

La Figura 6 illustra l’evoluzione temporale di varie metriche mediate sulla regione del cappuccio polare dal 16 novembre 2022 al 1 aprile 2023. Ecco una descrizione dettagliata dei vari pannelli della figura:

• (a) Evoluzione pressione-tempo del vapore acqueo (unità: ppm): Questo grafico mostra come il contenuto di vapore acqueo sia variato nel tempo a diverse altezze nella stratosfera. Le concentrazioni più elevate si osservano verso la parte superiore del grafico, indicando una maggiore presenza di vapore acqueo vicino alla stratopausa.
• (b) Evoluzione pressione-tempo delle anomalie del contenuto di vapore acqueo rispetto alla climatologia a lungo termine (unità: %): Questo pannello mostra le deviazioni percentuali nel contenuto di vapore acqueo rispetto ai valori medi storici, con le zone in blu che indicano una diminuzione e quelle in arancione/rosso un aumento.
• (c) Evoluzione latitudine-tempo delle anomalie del contenuto di vapore acqueo rispetto alla climatologia a lungo termine (unità: %): Similmente al pannello (b), ma qui si visualizza come queste anomalie si distribuiscano attraverso diverse latitudini, dalla zona equatoriale verso i poli.
• (d) Evoluzione pressione-tempo dell’ozono (unità: ppm): Illustra la variazione del contenuto di ozono nel tempo a diverse pressioni, simile al pannello (a) ma per l’ozono.
• (e) Evoluzione pressione-tempo delle anomalie del contenuto di ozono rispetto alla climatologia a lungo termine (unità: %): Mostra le variazioni percentuali del contenuto di ozono rispetto ai valori di lungo termine, con aree che mostrano aumenti o diminuzioni rispetto alla norma.
• (f) Evoluzione latitudine-tempo delle anomalie del contenuto di ozono rispetto alla climatologia a lungo termine (unità: %): Fornisce una rappresentazione della distribuzione delle anomalie di ozono attraverso varie latitudini.
• (g) Evoluzione pressione-tempo della velocità residua verticale standardizzata nella regione artica: Questo grafico mostra i cambiamenti nella velocità del flusso d’aria verticale nella regione artica, dove le tonalità verso il blu rappresentano movimenti ascendenti e quelle verso l’arancione movimenti discendenti.
• (h) Come in (e) ma per i tropici: Analogo al pannello (g), ma focalizzato sulla regione tropicale.

Questa serie di grafici fornisce una visione comprensiva di come il vapore acqueo e l’ozono, insieme alla circolazione dell’aria, si siano modificati durante il periodo considerato, influenzati da eventi quali i disturbi del vortice polare.

4.2 Evoluzione della temperatura di superficie

La Figura 8 mostra la distribuzione delle anomalie di temperatura a 2 metri (t2m) durante l’inverno del 2022/23. Dal 2 al 12 dicembre 2022 (intorno al primo disturbo stratosferico il 7 dicembre 2022), il continente eurasiatico è stato improvvisamente coperto da anomalie di freddo con un’amplitudine massima dell’anomalia superiore ai 12 °C (Fig. 8a). Questo impulso di freddo nelle medie latitudini eurasiatiche era strettamente correlato al rafforzamento del blocco degli Urali e all’approfondimento della depressione dell’Asia orientale, che insieme hanno amplificato le onde planetarie totali nella troposfera (Fig. 5a). Inoltre, durante il primo periodo di disturbo stratosferico, si è osservata una risposta simultanea e ritardata nella troposfera (Fig. 2). Dal 13 al 23 dicembre 2022, circa mezzo mese dopo l’occorrenza del primo disturbo stratosferico, sono state osservate forti anomalie di freddo sia in Asia orientale che in Nord America (Fig. 8b). Questo schema di freddo su entrambi i continenti ricordava le anomalie di freddo dopo l’inizio degli SSW in studi precedenti (Lu et al., 2021b; Rao et al., 2021). Studi recenti hanno anche confermato che sia gli SSW sia l’estensione della SPV sono correlati alle anomalie di temperatura fredda in Nord America (Cohen et al., 2021; Ding et al., 2023). Durante il secondo disturbo stratosferico dal 23 gennaio al 2 febbraio 2023 (con la data di inizio del minor SSW il 28 gennaio 2023), le anomalie di freddo erano ancora presenti sia in Eurasia che in Nord America (Fig. 8c), con il freddo in Asia orientale che si intensificava ulteriormente. Dal 3 al 13 febbraio 2023, a 1-2 settimane dopo il secondo disturbo stratosferico, si sono osservate anomalie calde nella maggior parte dei continenti eurasiatico e nordamericano, con anomalie di freddo osservate solo nell’Europa meridionale (Fig. 8d). Dopo l’inizio del maggiore SSW dal 14 al 24 febbraio 2023 (Fig. 8e), è apparso un impulso di freddo in Nord America. In linea con Lu et al. (2022a), le anomalie di freddo sono generalmente assenti sul continente eurasiatico dopo lo spostamento degli SSW. Le anomalie di freddo sul Nord America erano persistenti e ancora chiaramente presenti dal 25 febbraio al 30 marzo 2022.

La Figura 7 mostra la distribuzione delle anomalie di ozono nella colonna stratosferica (indicato dalle sfumature; unità: DU, Dobson Units) e delle anomalie di altezza a 50 hPa (indicate dalle linee di contorno; unità: gpm, geopotential meters) in diversi periodi durante l’inverno del 2022/2023. Ecco una spiegazione dettagliata dei vari pannelli:

• (a) 4-8 dicembre 2022: Questo pannello evidenzia un’ampia zona di anomalie positive di ozono (colorazioni rosse/arancioni) che si estendono sull’Asia nordorientale e sul Pacifico settentrionale, accompagnate da anomalie di altezza positive. Le anomalie negative (colorazioni blu) sono presenti sull’Atlantico settentrionale e parti del Canada.
• (b) 26 dicembre 2022 – 13 gennaio 2023: Le anomalie positive di ozono coprono estesamente l’Eurasia settentrionale e parte del Nord America. In quest’area, le altezze a 50 hPa mostrano anche valori elevati, indicando un potenziamento del vortice polare in queste regioni.
• (c) 26-31 gennaio: Si notano forti anomalie positive di ozono che si spostano verso l’est del Nord America e continuano ad essere presenti sull’Eurasia. Le anomalie di altezza rimangono consistenti con le regioni di alta concentrazione di ozono.
• (d) 4-9 febbraio: Anomalie positive di ozono e altezze si estendono su un’ampia zona dell’Eurasia nordorientale. Questo indica una continuazione della forte attività stratosferica in queste regioni.
• (e) 14-24 febbraio: Le anomalie di ozono si intensificano e coprono maggiormente il Nord America e parti dell’Eurasia, con un picco di altezza notevole che suggerisce un forte disturbo nella dinamica atmosferica.
• (f) 25 febbraio – 16 marzo: Continuazione delle forti anomalie positive sia di ozono che di altezza, specialmente sopra il Nord America e il Pacifico settentrionale, indicando persistenza dell’attività stratosferica influente.

Questa serie di mappe dimostra come le anomalie di ozono e le variazioni di altezza nella stratosfera si distribuiscano e varino geograficamente e temporalmente durante l’inverno, influenzate dagli eventi meteorologici e dai disturbi stratosferici. Le anomalie positive di ozono e le corrispondenti altezze geopotenziali sono associate a un rinforzo del vortice polare e a cambiamenti nella circolazione atmosferica a queste altitudini.

La Figura 8 mostra l’evoluzione delle anomalie di temperatura a 2 metri (t2m) durante l’inverno del 2022/2023 in sei periodi focalizzati, con le unità espressi in gradi Celsius (°C). Ecco una descrizione dettagliata di ciascun pannello:

• (a) 2-12 dicembre 2022: Questo periodo mostra prevalenti anomalie negative di temperatura (blu scuro) su gran parte dell’Eurasia, indicando condizioni significativamente più fredde rispetto alla media. Anomalie positive (rosse) sono evidenti in alcune aree del Nord America.
• (b) 13-23 dicembre 2022: Le anomalie fredde si estendono su vasti settori dell’Eurasia e del Nord America, con alcuni punti di intensa anomalia negativa. Anche in questo periodo, ci sono aree di anomalie positive isolate, principalmente sull’America del Nord.
• (c) 23 gennaio-2 febbraio 2023: Le anomalie fredde rimangono prevalenti su vasti settori dell’Eurasia e del Nord America. Tuttavia, si inizia a vedere un cambiamento con l’apparizione di maggiori zone con anomalie positive rispetto ai periodi precedenti.
• (d) 3-13 febbraio 2023: Questo pannello mostra una notevole riduzione delle anomalie fredde e un aumento significativo delle anomalie calde (rosse), in particolare nell’Eurasia occidentale e parti del Nord America.
• (e) 14-24 febbraio 2023: Le anomalie calde diventano ancora più estese, con significative aree rosse su gran parte del Nord America e alcune parti dell’Eurasia. Le anomalie fredde si restringono e sono meno intense rispetto ai periodi precedenti.
• (f) 25 febbraio-30 marzo 2023: Le anomalie calde dominano gran parte della mappa, soprattutto nel Nord America e in alcune parti dell’Eurasia. Le anomalie fredde rimangono presenti ma sono più limitate geograficamente e meno intense.

Questa serie di mappe illustra come le anomalie di temperatura varino significativamente attraverso diversi periodi dell’inverno, mostrando come diverse regioni del mondo sperimentino fluttuazioni termiche che variano da freddo intenso a temperature sopra la media. Le anomalie sono probabilmente influenzate da una combinazione di fattori atmosferici quali sistemi di alta e bassa pressione, correnti oceaniche e fenomeni climatici a larga scala come El Niño o La Niña.

Condizioni oceaniche e atmosferiche durante l’inverno 2022/23

Studi precedenti hanno dimostrato che certe fasi dell’Oscillazione Madden-Julian (MJO), la fase orientale del QBO a 30 o 50 hPa, le fasi fredde (La Niña) e calde (El Niño) del fenomeno ENSO, e la perdita di ghiaccio marino artico sono tutti fattori che favoriscono la formazione di un vortice polare stratosferico indebolito (Baldwin et al., 2021; Garfinkel et al., 2012; Lu et al., 2021b; Rao et al., 2019a; Wheeler e Hendon, 2004).

Dal 5 al 15 febbraio 2023, due settimane prima dell’inizio del significativo evento di riscaldamento stratosferico improvviso (SSW) del 16 febbraio, il MJO si trovava nelle sue fasi 4-6 con un’ampiezza superiore a 1,5σ (Fig. 9d). La convezione tropicale nella regione del Pacifico occidentale è favorevole a stimolare la risposta positiva del PNA nelle extratropici e a intensificare la propagazione verso l’alto delle onde planetarie extratropicali, in linea con studi precedenti (Garfinkel et al., 2012; Wheeler e Hendon, 2004).

L’indice Niño 3.4 (5°S–5°N, 170°–120°W), le anomalie del ghiaccio marino normalizzate (senza tendenza) nella regione del Mare di Barents-Laptev (30°–150°E, 72°–83°N) e l’indice QBO (5°S–5°N) a 50 hPa mediato per dicembre e gennaio sono mostrati in Fig. 9. L’inverno 2022/23 è stato il terzo anno consecutivo di un persistente stato di La Niña (Fig. 9a) con l’indice Niño 3.4 inferiore a -0,5 °C. Le anomalie composite di altezza a 500 hPa in gennaio e nella prima metà di febbraio per le La Niñas mostrano che le anomalie fredde della temperatura superficiale del mare nella parte centrale e orientale del Pacifico tropicale innescano un anomalo centro di alta pressione sopra il Pacifico settentrionale sia in gennaio (correlazione di pattern o PCC = 0,17) sia nella prima metà di febbraio (PCC = 0,38) (Fig. 9f, j rispetto a Fig. 9e, i). La forte risposta negativa del PNA seguente l’inizio del significativo SSW è stata principalmente attribuita alla forzatura da La Niña.

Il ghiaccio marino detrendizzato nella regione del Mare di Barents-Laptev durante dicembre 2022-gennaio 2023 è stato registrato come il più basso degli ultimi 40 anni (Fig. 9b). Le anomalie composite di altezza a 500 hPa per l’indice di perdita di ghiaccio marino del BL (< -0,5σ) a gennaio sono fortemente correlate con il campo di anomalie di gennaio 2023 (PCC = 0,66) (Fig. 9g). La perdita di ghiaccio marino del BL ha indotto anomalie positive di altezza nell’Artico e anomalie negative di altezza nelle Isole Aleutine a gennaio (Fig. 9g). Nella prima metà di febbraio, la correlazione di pattern è diminuita a 0,33: la perdita di ghiaccio marino del BL può indurre anomalie negative di altezza sull’Alaska e anomalie positive di altezza sul Pacifico settentrionale nella prima metà di febbraio, spiegando molto meno il pattern di anomalie di altezza osservato nella prima metà di febbraio 2023 (PCC = 0,33, Fig. 9k rispetto a Fig. 9i).

L’indice QBO è calcolato utilizzando l’anomalia media del vento zonale da 5°S a 5°N a 50 hPa in inverno (dicembre-febbraio). L’indice QBO nell’inverno 2022/23 si è sviluppato verso la fase occidentale (Fig. 9c), il che è stato sfavorevole per il mantenimento del debole vortice polare stratosferico (Holton e Tan, 1980; Rao et al., 2020a; 2023a). Le anomalie composite di altezza a 500 hPa in gennaio erano negativamente correlate con le anomalie osservate a gennaio 2023 (PCC = -0,43, Fig. 9h), indicando che il QBO da solo non ha spiegato le anomalie di altezza osservate a gennaio 2023. Condizioni simili sono applicabili anche alla prima metà di febbraio, quando la troposfera risponde al QBO in un pattern di circolazione simile al NAM positivo (PCC = -0,11, Fig. 9l). Pertanto, il QBO non è stato responsabile per il potenziamento delle onde troposferiche a gennaio e nella prima metà di febbraio 2023.

In sintesi, le attività potenziate delle onde planetarie originate dalla troposfera durante l’inverno 2020/23 sono state associate alla persistente La Niña e alla riduzione del ghiaccio marino del BL. Il significativo SSW è avvenuto seguendo le fasi 4–6 del MJO. Tuttavia, ci sono anche altri possibili fattori che non sono stati considerati qui, ma che potrebbero aver giocato un ruolo nell’occorrenza del significativo SSW.

La figura 9 illustrata mostra vari aspetti e indici climatici e atmosferici correlati con il vortice polare stratosferico e le loro variazioni nel tempo, focalizzandosi principalmente sull’inverno 2022/23. Ecco una spiegazione dettagliata per ciascun pannello:

1. Pannello (a): Mostra la serie storica dell’indice Niño 3.4 da dicembre a gennaio dal 1980 al 2023. Questo indice misura le anomalie della temperatura superficiale del mare nel Pacifico centrale ed è utilizzato per identificare gli stati di El Niño e La Niña, che sono colorati rispettivamente in rosso e blu. Gli stati di La Niña, indicati dal colore blu, corrispondono a temperature più fredde del normale, mentre El Niño è associato a temperature più calde.
2. Pannello (b): Rappresenta l’indice del ghiaccio marino normalizzato e senza tendenza nella regione del Mare di Barents-Laptev (30°E–150°E, 72°N–83°N), mediato per dicembre e gennaio dal 1980 al 2023. Le linee orizzontali indicano le deviazioni standard di ±0,5σ, utilizzate per evidenziare le anomalie significative nel ghiaccio marino.
3. Pannello (c): Illustra l’indice QBO (Oscillazione Quasi-Biennale) a 50 hPa, mostrando le anomalie del vento zonale da gennaio a febbraio 2023. Le linee orizzontali rappresentano le deviazioni standard di ±1,0σ. La QBO è un indice che indica la direzione e la velocità dei venti stratosferici equatoriali e influenza la circolazione atmosferica a livelli superiori.
4. Pannello (d): Mostra l’indice multivariato in tempo reale del MJO (Oscillazione Madden-Julian) dal 10 gennaio al 20 marzo 2023. Il diagramma rappresenta le varie fasi del MJO, che sono importanti per prevedere la convezione tropicale e l’attività delle onde planetarie.
5. Pannelli (e)-(l): Presentano le anomalie di altezza geopotenziale a 500 hPa per diversi fattori e periodi:
   • (e) e (i): Anomalie in gennaio 2023 e dal 1 al 15 febbraio 2023, rispettivamente.
   • (f) e (j): Anomalie composite per gli eventi di La Niña in gennaio e nei primi 15 giorni di febbraio.
   • (g) e (k): Anomalie composite per la perdita di ghiaccio nel Mare di Barents-Laptev in gennaio e nei primi 15 giorni di febbraio.
   • (h) e (l): Anomalie composite per i venti occidentali QBO in gennaio e nei primi 15 giorni di febbraio.

I punti neri nei pannelli (e)-(l) indicano le anomalie di altezza che superano il livello di confidenza del 95% utilizzando il test t di Student, suggerendo che tali anomalie sono statisticamente significative.

Questa figura aiuta a comprendere come diversi fattori climatici e atmosferici interagiscono e influenzano le condizioni meteorologiche durante l’inverno, in particolare per quanto riguarda i fenomeni come il riscaldamento stratosferico improvviso (SSW).

Riassunto

Utilizzando la rianalisi ERA5, le osservazioni della temperatura superficiale del mare, del ghiaccio marino e l’indice multivariato in tempo reale del MJO, sono state esplorate l’evoluzione dei disturbi stratosferici nell’inverno 2022/23, le condizioni favorevoli per il loro verificarsi e i loro possibili effetti sull’ozono stratosferico, il vapore acqueo e la temperatura vicino alla superficie. Le principali conclusioni sono le seguenti.

I. Nell’inverno 2022/23, sono stati osservati tre disturbi stratosferici notevoli. Il primo disturbo era un vortice polare debole che si allungava all’inizio dell’inverno, sebbene di breve durata e con solo i venti zonali a 80°N invertiti verso est. Anche se non è stato osservato un aumento improvviso della temperatura polare, sono state osservate risposte simultanee e ritardate di anomalie orientali e anomalie positive di altezza geopotenziale nella troposfera. Il secondo disturbo stratosferico era un SSW minore con il vortice polare spostato verso l’Eurasia e l’Atlantico Nord il 28 gennaio 2023, quando fu osservata un’inversione del gradiente di temperatura polare a 10 hPa. Tuttavia, il SSW minore non ha mostrato una profonda propagazione verso il basso nella troposfera. Il terzo disturbo stratosferico era uno spostamento del SSW maggiore, che ha avuto inizio il 16 febbraio 2023 e continuato fino alla fine di marzo 2023, con i segnali stratosferici che si propagavano verso il basso fino alla troposfera e vicino alla superficie.

II. Intorno al 7 dicembre 2022, fu osservato un breve e intenso impulso del numero d’onda 2 sia nella troposfera che nella stratosfera, anche se la durata fu molto breve. Questo alla fine ha portato all’allungamento del vortice polare stratosferico a 10 hPa durante il primo disturbo. A gennaio 2023, il flusso di calore turbolento fu contribuito alternativamente dai numeri d’onda planetari 1 e 2 (ancora dominato dal numero d’onda 1 la maggior parte del tempo). Un abbondante flusso di calore turbolento continuò ad accumularsi nella stratosfera e risultò nel secondo disturbo, ovvero l’inizio del SSW minore il 28 gennaio 2023 con il vortice polare spostato verso l’Eurasia e l’Atlantico Nord. Dal 9 febbraio 2023, il flusso totale di calore turbolento del numero d’onda planetario 1 aumentò rapidamente, il che corrispondeva al terzo disturbo, ovvero il SSW maggiore.

III. Durante i tre disturbi stratosferici polari, la circolazione BD mostrò tre disturbi potenziati, caratterizzati da un aumento del movimento discendente nell’Artico e del movimento ascendente nelle regioni tropicali, con la durata del disturbo più lunga durante il periodo del SSW. Sotto l’influenza della circolazione BD, il vapore acqueo e l’ozono negli strati medi e inferiori della stratosfera polare mostrano una tendenza all’aumento, mentre il vapore acqueo e l’ozono negli strati superiori della stratosfera mostrano una tendenza alla diminuzione. Tuttavia, dopo l’inizio del SSW maggiore, le reazioni chimiche hanno causato un rapido aumento della concentrazione di ozono nella stratosfera superiore.IV. Durante il primo disturbo stratosferico il 7 dicembre 2022, si verificò un forte accoppiamento stratosfera-troposfera. Nel periodo dal 2 al 12 dicembre, il crinale degli Urali si rafforzò e la depressione dell’Asia Orientale si approfondì, amplificando insieme il numero d’onda planetario 2. Si verificarono ondate di freddo nel continente in Eurasia e Nord America. Dal 13 al 23 dicembre 2022, ci fu ancora una forte risposta nella troposfera, e si verificarono grandi anomalie di freddo in Nord America. Durante il periodo del SSW minore intorno al 28 gennaio, le ondate di freddo furono deboli, corrispondenti alla mancata propagazione verso il basso del disturbo stratosferico. Dopo l’inizio del SSW maggiore il 16 febbraio, si manifestarono ondate di freddo in Nord America, sebbene l’Eurasia fosse insolitamente calda.

V. Nell’inverno 2022/23, la copertura di ghiaccio marino nell’area del Mare di Barents-Laptev raggiunse il suo valore più basso dal 1980. Inoltre, la temperatura superficiale del mare nel Pacifico tropicale fu insolitamente fredda nel terzo anno di uno stato prolungato di La Niña, dall’autunno 2020 a febbraio 2023. L’analisi composita rivelò che la perdita di ghiaccio marino nel Mare di Barents-Laptev e La Niña spiegavano parzialmente le anomalie di circolazione osservate nell’inverno 2022/23. Due settimane prima dell’inizio del SSW maggiore il 16 febbraio, si svilupparono le fasi 4-6 del MJO, che favorirono l’occorrenza del SSW. La fase occidentale del QBO non fu responsabile dei frequenti disturbi stratosferici nell’inverno 2022/23.

È importante notare che un disturbo stratosferico di breve durata non comporta necessariamente una debole risposta vicino alla superficie. Ad esempio, sebbene il primo disturbo stratosferico intorno al 7 dicembre nell’inverno 2022/23 sia durato solo una settimana, le anomalie di freddo vicino alla superficie sia in Eurasia che in Nord America furono addirittura maggiori rispetto agli altri due disturbi. Le interazioni tra la stratosfera e la troposfera potrebbero amplificare la risposta vicino alla superficie alla stratosfera, e i fattori che controllano l’impatto verso il basso dei disturbi stratosferici non sono ancora chiaramente compresi e rimangono oggetto di studi futuri.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2212094723000804?via%3Dihub