Bottom up or top down: An evolving understanding on the mech463 anism(s) driving SSWs (parte3)

Una prospettiva ‘dal basso verso l’alto’, concentrata sul ruolo del rafforzamento della forzatura delle onde troposferiche, è intrinseca nel lavoro fondamentale di Matsuno che dimostra che gli SSW (Riscaldamenti Stratosferici Improvvisi) sono forzati dinamicamente. Nel 1971, Matsuno ha imposto una forzatura dell’onda planetaria 2 all’interfaccia inferiore (circa la tropopausa) di un modello di circolazione generale. Il modello ha generato un forte SSW diviso in risposta a questo impulso dal basso.

Il lavoro di Matsuno suggerisce due criteri fondamentali per l’induzione di un SSW: (1) Gli SSW si verificano solo con una forzatura dell’onda planetaria sufficientemente intensa dalla troposfera, e (2) gli SSW necessitano di un impulso di forzatura dell’onda anormalmente forte dalla troposfera per iniziare. Il supporto per il primo criterio include l’osservazione semplice che gli eventi di riscaldamento sono molto più comuni nell’emisfero settentrionale rispetto a quello meridionale. Un ulteriore sostegno per una quantità minima necessaria di forzatura dell’onda dalla troposfera è stato fornito da un modello concettuale sviluppato da Holton e Mass nel 1976, che mirava a ridurre un SSW ai suoi elementi più fondamentali. Il modello di Holton e Mass consiste di un’unica onda planetaria di ampiezza costante, fornita come input alla stratosfera al suo limite inferiore. Il flusso medio (cioè, il vortice) esiste in uno stato forte con ampiezze d’onda deboli (corrispondente a un’interazione onda-flusso medio debole), o in uno stato debole con ampiezze d’onda forti (corrispondente a un’interazione onda-flusso medio forte simile alla dinamica degli SSW). Più recentemente, studi GCM idealizzati hanno mostrato un notevole aumento della frequenza degli SSW all’aumentare delle asimmetrie zonali su scala planetaria nel flusso sottostante, causate sia dalla topografia (ad esempio, Taguchi e Yoden (2002); Gerber e Polvani (2009)) che da perturbazioni termiche (Lindgren et al., 2018).

Il secondo criterio del modello di Matsuno — che gli SSW (Riscaldamenti Stratosferici Improvvisi) sono scatenati da un impulso eccezionale di attività ondulatoria proveniente dalla troposfera — trova conferma nel fatto che gli SSW sono spesso preceduti da eventi di blocco atmosferico, i quali amplificano l’attività ondulatoria nella troposfera (per esempio, come indicato da Quiroz nel 1986; Martius e altri nel 2009). Questa osservazione ha portato i ricercatori a identificare eventi precursori nella troposfera che potrebbero generare flussi aggiuntivi di onde planetarie dirette verso la stratosfera (ad esempio, studi di Garfinkel e altri nel 2010; Cohen e Jones nel 2011; Sun e altri nel 2012).

Palmer, nel 1981, propose che il vortice stratosferico potrebbe dover essere ‘precondizionato’ per ricevere un impulso di attività ondulatoria, basandosi sull’analisi dell’evento del 1979. Questo tema è stato ulteriormente esplorato da McIntyre nel 1982. Diversi studi hanno suggerito che la forza e la dimensione del vortice sono fattori cruciali nel permettere all’attività ondulatoria di penetrare profondamente nella stratosfera (come dimostrato in studi di Limpasuvan e altri nel 2004; Nishii e altri nel 2009; Kuttippurath e Nikulin nel 2012; Albers e Birner nel 2014; Jucker e Reichler nel 2018).

Newman e altri nel 2001, così come Polvani e Waugh nel 2004, evidenziarono che un singolo evento precursore non è probabilmente sufficiente a causare una decelerazione significativa del vortice polare stratosferico. Invece, è la forzatura ondulatoria accumulata in un periodo di 40-60 giorni che deve essere insolitamente forte per indurre una decelerazione sufficiente a invertire il flusso medio zonale attorno al cappello polare. Sjoberg e Birner nel 2012 sottolinearono ulteriormente che una forzatura sostenuta, che duri almeno 10 giorni, ma che non necessariamente debba essere anormalmente forte, è essenziale per scatenare gli SSW. I processi che possono portare a un tale incremento sostenuto nella forzatura ondulatoria dalla troposfera sono discussi nella Sezione 5.

Il concetto di precondizionamento implica che lo stato del vortice stratosferico influisce sulla sua predisposizione ad accogliere onde provenienti dalla troposfera. La prospettiva ‘dall’alto verso il basso’ estremizza questa visione, ipotizzando che le fluttuazioni nella forzatura delle onde troposferiche non giochino un ruolo significativo. Piuttosto, è sufficiente che i flussi di onde di base che entrano nella stratosfera siano abbastanza forti (come quelli forniti dalle condizioni climatologiche nell’inverno dell’emisfero settentrionale), affinché la stratosfera sia capace di generare autonomamente gli SSW.

La prospettiva ‘dall’alto verso il basso’ è stata spesso descritta nel contesto della crescita risonante di disturbi ondulatori (ad esempio, Clark nel 1974; Tung e Lindzen nel 1979b). In una particolarmente illuminante interpretazione di questo meccanismo, l’interazione tra l’onda e il flusso medio porta il vortice ad accordarsi con il suo punto di eccitazione risonante (Plumb nel 1981; Matthewman e Esler nel 2011; Scott nel 2016). Il supporto a questa prospettiva proviene da esperimenti su modelli numerici idealizzati che dimostrano come la stratosfera sia in grado di controllare il flusso di attività ondulatoria ascendente vicino alla tropopausa (Scott e Polvani nel 2004 e 2006; Hitchcock e Haynes nel 2016) e che le perturbazioni stratosferiche possono scatenare gli SSW anche quando l’attività ondulatoria troposferica è mantenuta costante (Sjoberg e Birner nel 2014; de la Cámara e altri nel 2017).

La predisposizione del vortice polare, cioè l’influenza delle onde che lo portano a uno stato critico, gioca un ruolo fondamentale in questo meccanismo. Questo suggerisce che gli SSW (Riscaldamenti Stratosferici Improvvisi) potrebbero potenzialmente essere previsti in anticipo, anche nel caso in cui siano interamente controllati dallo stato del vortice stratosferico.

I meccanismi degli SSW dal basso verso l’alto e dall’alto verso il basso sono associati a diverse relazioni temporali di anticipazione e ritardo nella propagazione dell’energia delle onde verso l’alto (ossia, il flusso EP) tra la fonte nella troposfera e il pozzo nella stratosfera. Gli eventi guidati dalle onde troposferiche saranno preceduti da un accumulo di attività ondulatoria nel tempo, mentre gli SSW auto-regolati in risonanza saranno caratterizzati da un’amplificazione quasi istantanea dell’onda attraverso uno strato profondo esteso, senza alcun ritardo tra la troposfera/tropopausa e la stratosfera.

In questo contesto, è importante sottolineare che le fluttuazioni del flusso ondulatorio verso l’alto a 100 hPa non rappresentano in genere le fluttuazioni nella troposfera sottostante (Polvani & Waugh, 2004; Jucker, 2016; de la Cámara et al., 2017). La pressione tipica della tropopausa nell’atmosfera extratropicale durante l’inverno si attesta intorno ai 300 hPa, come mostrato nelle Figure 2 e 3. Di conseguenza, gli eventi di flusso ondulatorio a 100 hPa non possono generalmente essere interpretati come segnali precursori troposferici perché circa 2/3 della massa stratosferica si trova sotto i 100 hPa. Tuttavia, l’incremento dei flussi ondulatori verso l’alto dalla troposfera su scale temporali sufficientemente lunghe (ad esempio, associati alla variabilità climatica che si estende per tutta la stagione invernale) tende a causare un aumento del flusso ondulatorio attraverso i 100 hPa nel vortice polare, aumentando così la probabilità di SSW.

Sono state osservate prove che supportano sia i meccanismi bottom-up (dal basso verso l’alto) sia top-down (dall’alto verso il basso), ma è emerso chiaramente che il secondo criterio proposto dal modello di Matsuno del 1971 — ovvero che la troposfera debba innescare un SSW con un’impulso di attività ondulatoria intensificata — non è necessario. Birner e Albers (2017) hanno scoperto che solo un terzo degli SSW può essere ricondotto a un impulso di flussi ondulatori troposferici estremi. Circa due terzi degli SSW osservati sono più coerenti con la categoria top-down o non si adattano a nessuno dei due prototipi (cioè i flussi ondulatori troposferici sono insolitamente forti ma non estremi). Rapporti simili sono stati osservati anche in studi di modellazione condotti da White et al. (2019) e de la Cámara et al. (2019).

Sembra inoltre che il meccanismo possa variare a seconda del tipo di riscaldamento. Sebbene Matsuno (1971) abbia descritto un disturbo di onda 2, sembra che gli eventi di onda 1 (di spostamento) tendano ad essere associati a un accumulo graduale di attività ondulatoria, più in linea con il paradigma bottom-up, sebbene sia stato suggerito anche un comportamento risonante per gli eventi di spostamento (Esler & Matthewman, 2011). Gli eventi di divisione, o di onda 2, sono più istantanei nella loro natura (Albers & Birner, 2014; Watt-Meyer & Kushner, 2015), e corrispondono più strettamente al paradigma top-down.

la Figura 7 mostra l’evoluzione del vortice polare durante un evento di Riscaldamento Stratosferico Improvviso (SSW) nell’inverno del 2018/19. Ogni pannello rappresenta lo stato della vorticità potenziale (PV) sulla superficie isentropica di 850 K (un livello nella stratosfera) in date differenti, come indicato in alto in ogni pannello.

Ecco cosa mostrano i pannelli:

1. Stato Iniziale del Vortice Polare (Prima Fila, da Sinistra a Destra): Il vortice polare è vicino al polo, indicato dal colore blu che rappresenta i valori di PV. Inizialmente è centrato e compatto.
2. Spostamento del Vortice (Fila di Mezzo): Con il passare del tempo, il vortice inizia ad essere spostato dal polo. Questo si può vedere dal fatto che l’area blu si sposta verso il bordo della regione polare, indicando che il vortice sta diventando meno stabile e viene spostato dalla sua posizione usuale sopra il polo.
3. Filamentazione del Vortice (Medio Sinistra): Inizia il processo di filamentazione dove strisce o ‘filamenti’ del vortice sono tirati via. Questi filamenti si estendono nella ‘zona di surf’, che è un’area della stratosfera con mescolamento turbolento su larga scala.
4. Vortice Completamente Spostato (In Basso al Centro): A questo stadio, il vortice è completamente spostato dal polo, come mostrato dalla grande massa blu che si trova alle medie latitudini.
5. Scissione del Vortice (In Basso a Destra): Infine, il vortice un tempo coeso si divide in due ‘vortici figlia’ più piccoli. Questi vortici minori sono meno potenti e indicano un significativo cedimento della struttura originale del vortice polare.

La scala di colori in basso mostra i valori di vorticità potenziale, con valori più alti (blu più scuro) tipicamente associati al nucleo del vortice polare. La sequenza dimostra i processi dinamici associati a un importante evento SSW, in cui il vortice polare è interrotto e può avere implicazioni per i modelli meteorologici a latitudini inferiori.

Gli eventi di Riscaldamento Stratosferico Improvviso si verificano quando i venti normalmente occidentali della stratosfera polare (il getto polare notturno) si indeboliscono o invertono direzione. Questo può portare al collasso del vortice polare e può avere impatti significativi sui modelli meteorologici, spesso portando a temperature più fredde alle medie latitudini.

Il riferimento a “Baldwin et al. (2019)” suggerisce che questa è una figura da uno studio scientifico che dettaglia questo specifico evento e fornisce probabilmente più contesto o dati sulla dinamica degli eventi SSW.

External influences on SSWs

Influenze esterne sugli SSW: Poiché sono stati osservati solo circa 40 SSW (Scaldamenti Stratosferici Improvvisi) tra il 1958 e il 2019, è difficile quantificare e/o stabilire cambiamenti statisticamente robusti nella frequenza degli SSW a causa di influenze esterne, specialmente se le osservazioni mostrano un effetto sottile. Nonostante questa difficoltà, una gamma di influenze esterne è stata collegata agli SSW, inclusa l’Oscillazione Quasi-Biennale (QBO), l’ENSO, il ciclo solare di 11 anni, l’Oscillazione Madden-Julian e la copertura nevosa. La fiducia nella robustezza di tali relazioni è rafforzata se esiste un meccanismo fisico ben descritto che si prevede produca l’effetto osservato, per esempio attraverso cambiamenti nella propagazione e rottura delle onde di Rossby nella stratosfera o la generazione di onde planetarie di Rossby nella troposfera. Analogamente, la conferma di relazioni osservate in studi di modellazione aumenta anche la fiducia nella loro robustezza. Ancora più impegnativo è stabilire relazioni nelle osservazioni in cui due o più influenze esterne agiscono in concerto (Salminen et al., 2020). È stato riconosciuto per 40 anni che il vortice polare stratosferico è più debole durante l’inverno QBO orientale rispetto all’inverno QBO occidentale, noto come la relazione Holton-Tan (Holton & Tan, 1980; Anstey & Shepherd, 2014). La frequenza di occorrenza degli SSW durante ciascuna fase QBO è mostrata nella Tabella 1 basata sulla rianalisi NCEP-NCAR. L’occorrenza degli SSW è più probabile durante gli inverni QBO orientali rispetto alla fase QBO occidentale (0,9/anno vs 0,5/anno).Pertanto, gli eventi SSW (Scaldamenti Stratosferici Improvvisi) si verificano meno frequentemente durante la fase occidentale dell’Oscillazione Quasi-Biennale (QBO), in linea con gli studi precedenti (Labitzke, 1982; Naito et al., 2003). I modelli simulano anche un vortice indebolito e più eventi SSW durante la fase orientale della QBO rispetto a quella occidentale, anche se l’entità dell’effetto tende ad essere leggermente più debole di quella osservata (ad esempio Anstey e Shepherd (2014); Garfinkel et al. (2018)). Almeno quattro meccanismi diversi sono stati proposti per collegare la QBO alla variabilità del vortice, e l’importanza relativa di questi meccanismi è ancora incerta (Holton & Tan, 1980; Garfinkel, Shaw, et al., 2012; Watson & Gray, 2014; White et al., 2015; Silverman et al., 2018).

La tabella rappresenta lo studio della relazione tra la fase dell’Oscillazione Quasi-Biennale (QBO) e la frequenza degli eventi di riscaldamento stratosferico improvviso (SSW). La QBO è caratterizzata da un cambiamento regolare dei venti equatoriali nella stratosfera tra easterly (orientali) e westerly (occidentali), mentre gli SSW sono eventi meteorologici durante i quali si verifica un rapido aumento della temperatura nella stratosfera sopra il polo, che può influenzare i modelli meteorologici a livello di superficie.

Ecco una spiegazione dettagliata di ciascuna colonna della tabella:

1. QBO Phase: Indica la direzione del vento nella stratosfera equatoriale. Le fasi sono:
   • EQBO (easterly phase of QBO): Fase in cui i venti soffiano da est con una velocità di almeno 5 metri al secondo.
   • WQBO (westerly phase of QBO): Fase in cui i venti soffiano da ovest con una velocità inferiore a -5 metri al secondo.
   • Neutrale: Qualsiasi velocità del vento inferiore a 5 metri al secondo che non rientra nelle categorie EQBO o WQBO.
2. Winter no.: Rappresenta il numero totale di inverni osservati per ogni fase della QBO durante il periodo di studio, che va dal 1958 al 2019. Il periodo invernale considerato è da novembre a febbraio.
3. SSW no.: Mostra il numero totale di eventi SSW che si sono verificati durante il numero di inverni indicato nella seconda colonna per ciascuna fase della QBO.
4. SSW Frequency: Calcola la frequenza media degli eventi SSW per anno per ciascuna fase della QBO. È ottenuta dividendo il numero di eventi SSW per il numero totale di inverni per ciascuna fase.

Dai dati presentati, possiamo vedere che:

• Durante la fase EQBO, ci sono stati 20 inverni e 18 eventi SSW, il che suggerisce che quasi ogni inverno in questa fase ha avuto un evento SSW, con una frequenza di 0.9 eventi per inverno.
• Durante la fase WQBO, ci sono stati più inverni (36), ma lo stesso numero di eventi SSW (18), risultando in una frequenza più bassa di 0.5 eventi per inverno.
• Nella fase Neutrale, ci sono stati molto meno eventi SSW (solo 1) rispetto al numero di inverni (6), indicando una frequenza significativamente inferiore di 0.17 eventi per inverno.

In conclusione, la tabella suggerisce che la fase EQBO della QBO potrebbe essere associata a una maggiore incidenza di eventi SSW rispetto alle fasi WQBO o Neutrale. Questo può essere importante per la comprensione di come i cambiamenti nella stratosfera influenzano il tempo e il clima.

La relazione tra il vortice polare stratosferico invernale dell’emisfero nord e il fenomeno ENSO, includendo una discussione approfondita sui possibili meccanismi, è stata recentemente recensita su questa rivista (Domeisen et al., 2019). La correlazione statistica tra l’ENSO e gli eventi di riscaldamento stratosferico improvviso (SSW) nei dati di reanalisi del NCEP-NCAR è stata rivisitata e presentata nella Tabella 2. È stato riscontrato che la probabilità di eventi SSW cresce sia in presenza di El Niño sia di La Niña, in confronto alle condizioni neutre dell’ENSO (Butler & Polvani, 2011; Garfinkel, Butler, et al., 2012). Tuttavia, si ritiene che l’aumento della frequenza di SSW durante gli eventi di La Niña nel registro osservato non sia dovuto a forzature esterne, ma piuttosto sia connesso a variabilità interne o a forze climatiche di disturbo (Weinberger et al., 2019; Domeisen et al., 2019), specialmente nel caso di eventi di La Niña di debole intensità (Iza et al., 2016). I modelli climatici con un elevato dettaglio verticale mostrano una reazione alle fasi opposte dell’ENSO che, se non altro, è generalmente più accentuata di quella osservata (Taguchi & Hartmann, 2006; Garfinkel, Butler, et al., 2012; Garfinkel et al., 2019), e questa può essere sfruttata per migliorare la capacità di previsione meteorologica sull’Europa (Domeisen et al., 2015).”

Il passaggio descrive come la ricerca ha esaminato il collegamento tra l’ENSO e gli SSW, notando che entrambe le fasi di ENSO, El Niño e La Niña, tendono ad aumentare la probabilità di SSW rispetto alle condizioni neutre. Viene inoltre precisato che, sebbene ci sia un aumento nella frequenza degli SSW durante La Niña, questo non è necessariamente attribuibile a fattori esterni, ma potrebbe essere spiegato dalla variabilità interna del sistema climatico o altre influenze climatiche. Infine, si osserva che i modelli climatici ad alta risoluzione mostrano una risposta più forte alle fasi dell’ENSO rispetto a quanto effettivamente osservato, e che questa risposta potrebbe essere utile per migliorare le previsioni meteorologiche, in particolare in Europa.

Di seguito una spiegazione dettagliata della tabella, la quale analizza la correlazione tra le fasi dell’El Niño-Southern Oscillation (ENSO) e l’incidenza degli eventi di riscaldamento stratosferico improvviso (SSW).

ENSO è un fenomeno climatico ciclico caratterizzato da variazioni nella temperatura dell’acqua nell’oceano Pacifico equatoriale. Esso ha tre fasi:

• El Niño: Si verifica quando c’è un riscaldamento significativo delle acque dell’Oceano Pacifico equatoriale e può portare a cambiamenti climatici globali.
• La Niña: È l’opposto di El Niño, con un raffreddamento delle acque nell’Oceano Pacifico equatoriale.
• Neutrale: Nessuna delle condizioni sopra è predominante.

SSW si riferisce a un fenomeno in cui la stratosfera sopra il Polo Nord si riscalda rapidamente. Questi eventi possono influenzare il clima a livello del suolo e sono di interesse per i meteorologi.

La tabella presenta i seguenti dati:

1. ENSO Phase (Fase ENSO): Questo indica la fase ENSO basata sull’indice Niño 3.4, che è una metrica della temperatura superficiale del mare.
2. Winter no. (Numero di inverni): Il numero di inverni registrati durante il periodo di studio (1958–2019) per ciascuna fase di ENSO.
3. SSW no. (Numero di SSW): Il numero totale di eventi SSW registrati per ciascuna fase di ENSO.
4. SSW Frequency (Frequenza SSW): Calcolata dividendo il numero di eventi SSW per il numero di inverni per ciascuna fase ENSO, fornisce una misura di quanto comunemente gli eventi SSW si verificano durante ciascuna fase di ENSO.

La colonna più a destra, la “frequenza SSW”, è particolarmente significativa perché mostra quanto spesso si verificano gli eventi SSW in relazione al numero di inverni per ciascuna fase ENSO. Ad esempio, durante gli inverni classificati come moderate El Niño, c’è una probabilità del 77% di avere un evento SSW. In contrasto, durante gli inverni neutri, la probabilità scende al 47%.

In somma, la tabella suggerisce che ci potrebbe essere una relazione tra la temperatura dell’acqua nell’oceano Pacifico equatoriale e la frequenza degli eventi di riscaldamento stratosferico improvviso durante l’inverno.

Il ciclo solare può influenzare il vortice polare stratosferico, e ricerche precedenti hanno riportato che gli eventi di riscaldamento stratosferico improvviso (SSW) a metà inverno tendono a verificarsi durante la fase di minimo solare con il QBO (Oscillazione Quasi-Biennale) in fase orientale (ovvero l’effetto Holton-Tan classico) e durante il massimo solare con il QBO in fase occidentale (Labitzke, 1987; Gray et al., 2004; Labitzke et al., 2006; Gray et al., 2010). Aggiornando questi rapporti con dati fino al 2019, si suggerisce che questa relazione persista, ma sia piuttosto modesta. Durante gli anni di massimo solare e fase occidentale del QBO, la frequenza degli SSW è di 0,44 all’anno (Tabella 3). Durante gli anni di minimo solare e fase orientale del QBO, la frequenza degli SSW è leggermente più alta (0,67 all’anno). Le sole osservazioni non sono sufficienti a confermare che la relazione tra solarità, QBO e SSW sia robusta. Esiste una notevole variabilità nella capacità dei modelli di simulare l’influenza della variabilità solare sulla stratosfera polare (Mitchell et al., 2015), che è in parte legata alla loro abilità di rappresentare gli effetti della variabilità solare sulla stratosfera tropicale.

la Tabella 3 è un riepilogo statistico che esplora la correlazione tra il ciclo solare, le fasi QBO e la frequenza degli eventi di riscaldamento stratosferico improvviso (SSW) dal 1958 al 2019.

Ecco una spiegazione dettagliata per ogni colonna della tabella:

1. Fase solare: Questo è diviso in “Max” per i periodi di massima attività solare e “Min” per i periodi di minima attività solare.
2. Fase QBO: Questo è diviso in tre categorie basate sull’orientamento dei venti stratosferici equatoriali: EQBO (quando i venti sono diretti verso est), WQBO (quando i venti sono diretti verso ovest) e Neutrale (quando non vi è una chiara direzione est o ovest).
3. Numero invernale (Winter no.): Il numero di inverni considerati nell’analisi per ogni combinazione di fase solare e QBO.
4. Numero SSW (SSW no.): Il numero totale di eventi SSW registrati per ogni categoria di fase solare e QBO.
5. Numero SSW in gennaio-febbraio (JF SSW no.): Il numero tra parentesi indica gli eventi SSW che si sono verificati specificamente nei mesi di gennaio e febbraio, che sono i mesi di picco per questi eventi nell’emisfero nord.
6. Frequenza SSW (SSW frequency): Questo valore rappresenta il rapporto tra il numero di eventi SSW e il numero di inverni per ogni categoria, dando una media di frequenza degli SSW per inverno. Il numero tra parentesi fornisce questa media per gli eventi SSW che accadono solo in gennaio e febbraio.

Analizzando i dati:

• Durante il massimo solare, la frequenza degli SSW varia da 0.33 a 1.0 a seconda della fase QBO, con l’EQBO che mostra una frequenza di SSW per inverno (1.0).
• Durante il minimo solare, la frequenza degli SSW varia da 0.0 a 0.78, con il valore più alto di nuovo durante la fase EQBO.
• La frequenza complessiva di SSW è di 0.60 all’anno, con una frequenza leggermente minore (0.40) per gli eventi JF SSW.

Questa tabella può essere usata per valutare come l’attività solare e la direzione dei venti QBO possano influenzare la probabilità di un evento SSW, con l’implicazione che ci potrebbero essere periodi o condizioni che tendono ad avere più SSW rispetto ad altri.

La copertura nevosa di ottobre in Eurasia è stata inoltre collegata alla successiva variabilità del vortice stratosferico, con una copertura nevosa più estesa che porta a un indebolimento del vortice (Cohen et al., 2007; Henderson et al., 2018) attraverso un rafforzamento del crinale degli Urali e un’interferenza costruttiva successiva con le onde stazionarie climatologiche (Garfinkel et al., 2010; Cohen et al., 2014). Si registra un lieve aumento nella frequenza degli eventi di riscaldamento stratosferico improvviso (SSW) durante gli inverni che seguono una copertura nevosa maggiore (Tabella 4), ma questo effetto non è statisticamente significativo. I risultati sono simili anche se si considerano solo gli eventi SSW all’inizio dell’inverno (non mostrato). I modelli liberi tendono a non catturare il collegamento tra la copertura nevosa e un vortice indebolito (Furtado et al., 2015), tuttavia i modelli forzati con perturbazioni ideali della neve riescono in qualche misura a catturare questo effetto (Henderson et al., 2018).

La tabella presentata mostra la relazione tra la copertura nevosa e gli eventi di riscaldamento stratosferico improvviso (SSW) durante l’arco temporale del 1968 al 2019. Ecco un dettaglio della tabella:

1. Copertura Neve:
   • Aumentata (enhanced): Il numero di inverni in cui la copertura nevosa è stata superiore alla media di 0.5 deviazioni standard.
   • Ridotta (reduced): Il numero di inverni in cui la copertura nevosa è stata inferiore alla media di 0.5 deviazioni standard.
   • Neutrale: Il numero di inverni in cui la copertura nevosa è stata vicina alla media.
   • Nessun dato (No data): Indica gli anni in cui i dati sulla copertura nevosa non erano disponibili.
2. Numero di Inverni (Winter no.): Questa colonna indica il numero totale di inverni osservati per ogni categoria di copertura nevosa.
3. Numero di SSW (SSW no.): Il numero di eventi SSW che si sono verificati per ogni categoria di copertura nevosa.
4. Frequenza di SSW (SSW frequency): Il rapporto tra il numero di eventi SSW e il numero totale di inverni per ogni categoria di copertura nevosa.

Analisi della tabella:

• Nei periodi con copertura nevosa “aumentata”, la frequenza degli SSW è stata di 0.64, il che suggerisce che quando c’è più neve del solito, gli eventi di SSW tendono ad essere più frequenti.
• Con una copertura nevosa “ridotta”, la frequenza degli SSW scende a 0.53.
• In condizioni “neutre”, la frequenza è leggermente superiore rispetto alla copertura ridotta, fissata a 0.6.
• Ci sono stati 52 inverni osservati in totale con 31 eventi SSW, portando a una frequenza media di SSW di 0.59.

La fonte dei dati sulla copertura nevosa viene indicata come https://climate.rutgers.edu/snowcover/table area.php?ui set=1, e viene specificato che i dati sulla copertura nevosa di ottobre 1969 mancano. Le anomalie della copertura nevosa sono definite in termini di deviazioni standard dalla media, con “aumentata” e “ridotta” che superano il valore di 0.5 deviazioni standard.

L’Oscillazione di Madden-Julian (MJO) è stata dimostrata influenzare la tempistica degli eventi di riscaldamento stratosferico improvviso (SSW): dei 23 eventi presi in considerazione da Schwartz e Garfinkel (2017) e i due eventi successivi, più della metà (13 su 25) sono stati preceduti da fasi dell’MJO con una convezione intensificata nella parte occidentale del Pacifico tropicale (fasi 6 o 7, secondo la caratterizzazione di Wheeler e Hendon (2004)). L’occorrenza climatologica di queste fasi è approssimativamente del 18% (dato aggiornato da Schwartz e Garfinkel (2017)), il che implica un incremento della probabilità che si verifichi un SSW. Il meccanismo per cui la convezione nella parte occidentale del Pacifico indebolisce il vortice è simile al meccanismo dell’influenza di ENSO e della copertura nevosa: la risposta extratropicale transiente associata all’MJO interferisce in modo costruttivo con il pattern delle onde planetarie climatologiche (Garfinkel et al., 2014). I modelli simulano un effetto simile a quello osservato (Garfinkel et al., 2014; Kang & Tziperman, 2017), e la prevedibilità probabilistica di un SSW è migliorata quando l’MJO è forte (Garfinkel & Schwartz, 2017).

How well can SSWs be forecast?

Tipicamente, gli eventi individuali di Sudden Stratospheric Warming (SSW) sono ben prevedibili fino a circa una-due settimane prima. Come esaminato da Tripathi et al. (2015), i modelli sono generalmente in grado di prevedere l’inizio degli eventi SSW almeno cinque giorni prima dell’evento e talvolta su scale temporali più lunghe, sub-stagionali (due settimane a due mesi), come riferito da Rao, Garfinkel, et al. (2019). Tuttavia, esiste una notevole variabilità nella prevedibilità da evento a evento per gli stessi sistemi di modellazione, come dimostrato dalle previsioni ECMWF analizzate da Karpechko (2018). Gran parte di questa variazione nella capacità predittiva è probabilmente legata ai limiti nella previsione dei principali fattori troposferici che guidano il processo SSW. Un esempio recente interessante di questo è la limitata capacità che i modelli hanno avuto nel prevedere l’SSW di febbraio 2018, che è stata collegata all’incapacità di alcuni modelli di catturare un’alta pressione sugli Urali (Karpechko et al., 2018) e alla rottura delle onde antocicloniche correlate nel settore dell’Atlantico Nord (Lee et al., 2019).

Inoltre, può esserci una notevole variazione nella capacità di previsione tra diversi sistemi di modellazione, sia nel prevedere eventi SSW individuali (Tripathi et al., 2016; Taguchi, 2018; Rao, Garfinkel, et al., 2019; Taguchi, 2020) sia nella capacità media complessiva (Domeisen, Butler, et al., 2020a). I modelli ad alta quota generalmente sono in grado di prevedere SSW con almeno cinque giorni di anticipo, mentre questa capacità diminuisce a meno del 50% dei membri dell’ensemble nel prevedere la data dell’SSW con tempi di anticipazione di due settimane (Domeisen, Butler, et al., 2020a), sebbene singoli eventi possano mostrare una prevedibilità più lunga. L’impatto delle lunghe distorsioni stratosferiche e come queste influenzano la capacità dei diversi sistemi di modellazione, ad esempio i bias freddi nella stratosfera del mezzo mondo, rimane un’area di ricerca attiva. Come notato da Noguchi et al. (2016), le previsioni degli eventi SSW sono anche sensibili allo stato stratosferico di fondo prima dell’SSW.

Nonostante ciò, la nostra capacità di prevedere eventi SSW nel medio termine (tempi di anticipazione di tre a dieci giorni) e su scale sub-stagionali, e di catturare i cambiamenti nella probabilità stagionale degli eventi SSW, è aumentata sostanzialmente nell’ultimo decennio (ad esempio Marshall e Scaife (2010)), man mano che i sistemi di previsione hanno aumentato il top del loro modello, la risoluzione verticale stratosferica e aumentato la sofisticazione dei principali processi fisici stratosferici come il drag delle onde di gravità. Le sfide rimanenti includono la risoluzione delle differenze nella capacità di previsione tra gli SSW che comportano lo spostamento del vortice e quelli che comportano la divisione del vortice (ad esempio Taguchi, 2016; Domeisen, Butler, et al., 2020a).