Confronto tra gli eventi di divisione del vortice polare stratosferico del 2018 e 2019: evoluzione, prevedibilità e influenze climatiche

Testo:

Gli eventi di divisione dinamica del vortice polare stratosferico dell’emisfero settentrionale, verificatisi a febbraio 2018 e gennaio 2019, rappresentano due episodi significativi di perturbazione stratosferica che offrono un’opportunità unica per analizzare le differenze nella loro dinamica, prevedibilità e impatti troposferici. Questo studio, condotto da Amy H. Butler e collaboratori, confronta questi due eventi, esaminando i meccanismi di forzatura delle onde planetarie, le influenze climatiche su larga scala e le implicazioni per la previsione meteorologica.

Evoluzione dinamica degli eventi

Nel febbraio 2018, la divisione del vortice polare stratosferico è stata guidata principalmente da un forzante di onda planetaria di tipo wavenumber-2, caratterizzato da una rapida amplificazione delle onde che ha portato alla frammentazione del vortice in due lobi distinti. Questo evento è stato associato a un riscaldamento stratosferico improvviso (Sudden Stratospheric Warming, SSW), che ha determinato un significativo accoppiamento stratosfera-troposfera, con conseguenti impatti meteorologici persistenti in superficie, come anomalie di temperatura e pressione su vaste regioni dell’emisfero settentrionale. Tuttavia, la prevedibilità di questo evento è risultata limitata, con i modelli numerici di previsione in grado di anticipare la divisione del vortice solo con un orizzonte temporale di 7-10 giorni.

Al contrario, l’evento di gennaio 2019 ha mostrato un’evoluzione dinamica distinta. Inizialmente, il vortice polare è stato spostato dalla sua posizione normale a causa di una lenta amplificazione di un forzante di onda di tipo wavenumber-1, che ha gradualmente destabilizzato il vortice prima della sua divisione. Questo processo più graduale ha permesso una maggiore prevedibilità, con i modelli meteorologici che hanno identificato segnali precursori con un anticipo significativamente maggiore rispetto all’evento del 2018. Tuttavia, gli impatti troposferici successivi alla divisione del 2019 sono stati notevolmente più deboli, con un accoppiamento stratosfera-troposfera meno pronunciato e anomalie meteorologiche in superficie meno marcate.

Ruolo delle influenze climatiche su larga scala

Lo studio esplora il ruolo di forzanti climatici su larga scala nel modulare la dinamica e la prevedibilità di questi eventi. Tra questi, vengono analizzati:

• Oscillazione El Niño-Southern Oscillation (ENSO): La fase dell’ENSO può influenzare la propagazione delle onde planetarie nella stratosfera, modulando l’intensità e la struttura del vortice polare. Ad esempio, una fase di El Niño tende a favorire una maggiore amplificazione delle onde planetarie, mentre La Niña può sopprimere tali dinamiche.
• Oscillazione Quasi-Biennale (QBO): La QBO, che alterna venti zonali nella stratosfera equatoriale, può alterare la propagazione verticale delle onde planetarie, influenzando la stabilità del vortice polare. Gli autori esaminano come la fase della QBO (orientale o occidentale) durante i due eventi abbia contribuito alle differenze osservate nella dinamica del vortice.
• Oscillazione Madden-Julian (MJO): L’MJO, un pattern di variabilità tropicale, può modulare la forzatura delle onde planetarie attraverso teleconnessioni atmosferiche, influenzando indirettamente il comportamento del vortice polare.

Prevedibilità e errori di previsione

Un aspetto cruciale dello studio è l’analisi della prevedibilità degli eventi e degli errori associati alle previsioni. Nel caso del 2018, l’improvvisa amplificazione del wavenumber-2 ha reso difficile la previsione accurata oltre un orizzonte di 7-10 giorni, a causa della rapida evoluzione delle dinamiche stratosferiche. Nel 2019, invece, la lenta amplificazione del wavenumber-1 ha permesso ai modelli di catturare segnali precursori con maggiore anticipo, migliorando la qualità delle previsioni. Gli autori evidenziano una correlazione tra gli errori di previsione dei venti stratosferici del vortice polare e gli errori nelle previsioni della QBO e dell’MJO, suggerendo che una migliore rappresentazione di questi fenomeni climatici nei modelli numerici potrebbe migliorare la capacità predittiva degli eventi di SSW.

Implicazioni e conclusioni

Il confronto tra gli eventi di divisione del vortice polare del 2018 e 2019 evidenzia la complessità delle dinamiche stratosferiche e la loro dipendenza da molteplici fattori, sia interni (forzanti delle onde planetarie) che esterni (influenze climatiche su larga scala). La diversa natura dei forzanti di onda (wavenumber-2 nel 2018 vs. wavenumber-1 nel 2019) ha determinato differenze significative nella prevedibilità e negli impatti troposferici. Questi risultati sottolineano l’importanza di migliorare la rappresentazione delle teleconnessioni climatiche nei modelli di previsione numerica per affinare la capacità di anticipare eventi estremi nella stratosfera e i loro effetti sul tempo troposferico.

Parole chiave: vortice polare, stratosfera, riscaldamento stratosferico improvviso, teleconnessioni, previsione meteorologica, accoppiamento stratosfera-troposfera, oscillazione El Niño-Southern Oscillation, oscillazione Quasi-Biennale, oscillazione Madden-Julian.

Introduzione

Gli eventi di riscaldamento stratosferico improvviso (Sudden Stratospheric Warmings, SSW) rappresentano perturbazioni dinamiche significative del vortice polare stratosferico invernale nell’emisfero settentrionale (NH), caratterizzate da un rapido aumento delle temperature stratosferiche e un’inversione dei venti zonali medi da occidentali a orientali. Questi fenomeni, che si verificano approssimativamente ogni due anni, coinvolgono lo spostamento del vortice dal polo, la sua divisione in due lobi distinti o una combinazione di entrambi (Charlton e Polvani, 2007). Tali eventi, situati tra i 10 e i 50 km di altitudine sopra l’Artico, sono riconosciuti come fonti potenziali di prevedibilità del tempo meteorologico invernale su scale sub-stagionali e stagionali (S2S) (Butler et al., 2019; Domeisen et al., 2020a).

Due SSW recenti, avvenuti il 12 febbraio 2018 e il 2 gennaio 2019 (identificati dall’inversione del vento zonale medio giornaliero a 10 hPa e 60°N nella rianalisi ERA-Interim), hanno portato a divisioni del vortice polare, ma con differenze marcate nella loro evoluzione, prevedibilità e impatti sulla troposfera. Nel 2018, il vortice si è diviso bruscamente in due, mentre nel 2019 è stato inizialmente spostato e successivamente diviso (Rao et al., 2019). La prevedibilità dell’evento del 2018 è stata limitata a 10 giorni o meno, tipica per gli SSW di metà inverno, mentre quello del 2019 è stato anticipato con oltre 17 giorni di lead time, grazie alla cattura del forzante delle onde planetarie di tipo wavenumber-1 a metà dicembre 2018. Gli impatti superficiali differiscono: l’evento del 2018 ha indotto un pattern meteorologico canonico associato alla fase negativa della Modalità Annulare Settentrionale (NAM) per circa due mesi, con forti anomalie di temperatura e pressione; al contrario, il 2019 ha mostrato un accoppiamento stratosfera-troposfera più debole e di breve durata, nonostante la persistenza del vortice diviso (Lee e Butler, 2019).

Queste differenze sono attribuibili a variazioni nei pattern di circolazione su larga scala, inclusi la fase dell’Oscillazione El Niño-Southern Oscillation (ENSO: La Niña moderata nel 2018, El Niño moderato nel 2019), l’Oscillazione Quasi-Biennale (QBO) e l’Oscillazione Madden-Julian (MJO). I “treni d’onda” planetari troposferici (wavenumbers 1-3), forzati da riscaldamento convettivo tropicale, interferiscono costruttivamente con il pattern di onde extratropicali climatologiche, amplificandosi nella stratosfera e indebolendo il vortice polare (Domeisen et al., 2019; Garfinkel et al., 2012a). La QBO modula la propagazione verticale delle onde alterando la linea critica subtropicale (effetto Holton-Tan), favorendo SSW durante la fase orientale (Holton e Tan, 1980; Lu et al., 2020). I sistemi di previsione S2S persistono le condizioni QBO iniziali per alcune settimane prima di degradare verso una climatologia debole orientale.

Dati e Metodi

Lo studio utilizza campi giornalieri medi dalla rianalisi ERA-Interim (Dee et al., 2011) per analizzare l’evoluzione atmosferica e verificare le previsioni, con anomalie calcolate rispetto alla climatologia 1979-2018. L’indice NAM è derivato da altezze geopotenziali deseasonalizzate (65-90°N, normalizzate e invertite per indicare vortici deboli). La QBO è descritta dalle prime due funzioni ortogonali empiriche (EOF) estese temporalmente dei venti zonali tropicali (5°S-5°N, 10-70 hPa). L’MJO è valutata tramite l’indice Real-time Multivariate MJO (RMM) (Wheeler e Hendon, 2004), mentre l’ENSO dall’indice Oceanic Niño di NCEP. Sistemi di previsione S2S (CMA, ECCC, ECMWF, JMA, KMA, CNRM, NCEP, UKMO) forniscono forecast e hindcast reali, corretti per bias rispetto a ERA-Interim. Dati NCEP CFSv2 analizzano la geometria del vortice tramite latitudine del centroide e rapporto d’aspetto dalle altezze geopotenziali a 10 hPa, con segmentazione regionale per rilevare divisioni.

Risultati

Evoluzione degli Eventi

Entrambi gli inverni mostrano un’evoluzione simile del vortice fino a metà dicembre. Nel 2018, un forzante dominante di wavenumber-2 ha causato una divisione rapida, con un riscaldamento stratosferico intenso e inversione dei venti. Nel 2019, un’amplificazione lenta di wavenumber-1 ha inizialmente spostato il vortice, seguita da divisione, con un’evoluzione più graduale e prevedibile.

Prevedibilità

L’evento del 2018 è stato previsto con lead time limitati (7-10 giorni) a causa della rapida amplificazione di wavenumber-2. Il 2019 ha beneficiato di una maggiore prevedibilità grazie alla cattura precoce del forzante wavenumber-1. Errori nelle previsioni della QBO e MJO contribuiscono alle differenze: la persistenza della QBO orientale nel 2019 ha migliorato le forecast, mentre errori nell’MJO hanno influenzato l’interferenza delle onde.

Influenze Climatiche e Errori di Previsione

La fase ENSO modula i treni d’onda, con El Niño che favorisce amplificazioni. La QBO altera la rottura delle onde, con la fase orientale che promuove perturbazioni wavenumber-1. L’MJO attiva periodi di forzatura tropicale. Correlazioni tra errori di forecast nei venti stratosferici e quelli in QBO/MJO indicano che una migliore rappresentazione di questi fenomeni potrebbe affinare le previsioni SSW.

Discussione e Conclusioni

Il confronto evidenzia la complessità delle dinamiche stratosferiche, con differenze nei forzanti di onda (wavenumber-2 vs. wavenumber-1) che determinano variazioni in prevedibilità e impatti troposferici. Influenze climatiche su larga scala come ENSO, QBO e MJO giocano ruoli cruciali nella modulazione delle onde planetarie e nella propagazione verticale. Migliorare la simulazione di queste teleconnessioni nei modelli S2S potrebbe migliorare la capacità predittiva di eventi estremi stratosferici, con implicazioni per la previsione meteorologica invernale. Lo studio sottolinea l’importanza di distinguere tra tipi di SSW per ottimizzare le strategie di previsione e mitigare impatti superficiali.

Parole chiave: Vortice polare stratosferico, riscaldamento stratosferico improvviso, prevedibilità S2S, oscillazione El Niño-Southern Oscillation, oscillazione Quasi-Biennale, oscillazione Madden-Julian, accoppiamento stratosfera-troposfera.

Dati e Metodi: Approcci Analitici per lo Studio delle Perturbazioni Stratosferiche

Introduzione alla Metodologia

Questa sezione descrive i dati e i metodi utilizzati per analizzare l’evoluzione atmosferica, le anomalie climatiche e la prevedibilità degli eventi di riscaldamento stratosferico improvviso (SSW) del 2018 e 2019. L’approccio integra rianalisi atmosferiche, indici climatici standardizzati e sistemi di previsione sub-stagionale per quantificare le dinamiche del vortice polare stratosferico, le influenze teleconnettive e gli errori di forecast. L’obiettivo è fornire una base robusta per il confronto tra i due eventi, enfatizzando la correzione dei bias modellistici e l’analisi geometrica del vortice, al fine di migliorare la comprensione delle interazioni stratosfera-troposfera.

Fonti di Dati Atmosferici e Calcolo delle Anomalie

I campi giornalieri medi sono derivati dalla rianalisi ERA-Interim (Dee et al., 2011), un dataset globale ad alta risoluzione prodotto dall’European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF), che assimila osservazioni satellitari, radiosonde e dati superficiali per ricostruire lo stato atmosferico dal 1979 al 2019. Questa rianalisi è utilizzata per descrivere l’evoluzione dell’atmosfera e delle temperature superficiali marine (SST) nella Sezione 3.1, nonché per la verifica delle previsioni nelle Sezioni 3.2-3.3. Le anomalie giornaliere sono calcolate sottraendo una climatologia giornaliera, definita come la media di ciascun giorno del calendario sul periodo di riferimento 1979-2018, per isolare le deviazioni dal comportamento stagionale medio e ridurre gli effetti di cicli diurni o stagionali.

L’indice della Modalità Annulare Settentrionale (NAM), un indicatore chiave della variabilità extratropicale, è computato a ciascun livello di pressione elaborando altezze geopotenziali giornaliere medie deseasonalizzate, mediate sulla regione polare (65-90°N), con rimozione delle anomalie globali di altezza geopotenziale per focalizzarsi sulle fluttuazioni zonali (Gerber e Martineau, 2018). La serie temporale risultante è normalizzata a varianza unitaria e invertita (moltiplicata per -1), in modo che valori negativi dell’indice NAM indichino un vortice polare anomalmente debole, facilitando l’identificazione di SSW e il loro accoppiamento downward.

Indici Climatici Tropicali: QBO, MJO ed ENSO

L’Oscillazione Quasi-Biennale (QBO) è rappresentata dalle prime due funzioni ortogonali empiriche (EOF) estese temporalmente dei venti zonali tropicali mediati su 30 giorni nella banda equatoriale (5°S-5°N) e nello strato stratosferico (10-70 hPa). Per estendere la serie storica, si integra la rianalisi ERA-40 fino al 1960. La matrice estesa temporalmente è costruita con una finestra scorrevole di quindici periodi di 30 giorni, seguendo metodologie consolidate (Fraedrich et al., 1993; Wang et al., 1995), che permettono di catturare la periodicità quasi-biennale e le sue modulazioni sulla propagazione delle onde planetarie.

L’indice dell’Oscillazione Madden-Julian (MJO), noto come Real-time Multivariate MJO (RMM), è calcolato proiettando anomalie di vento zonale e potenziale convettivo su funzioni EOF multivariate (Wheeler e Hendon, 2004), con dati forniti dall’Australian Bureau of Meteorology. L’errore quadratico medio bivariato (RMSE) delle previsioni MJO nei sistemi S2S è valutato seguendo Rashid et al. (2011), per quantificare la degradazione della prevedibilità tropicale e il suo impatto sulle teleconnessioni extratropicali.

L’ampiezza dell’Oscillazione El Niño-Southern Oscillation (ENSO) è derivata dall’indice Oceanic Niño Index (ONI) del National Centers for Environmental Prediction (NCEP) Climate Prediction Center, basato su anomalie di SST nella regione Niño 3.4 dal dataset ERSSTv5. Questo indice classifica fasi come El Niño o La Niña, influenzando i pattern di forzatura convettiva tropicale e i treni d’onda planetari.

Sistemi di Previsione Sub-Stagionale e Correzione dei Bias

Le analisi di prevedibilità (Sezioni 3.2-3.3) impiegano previsioni in tempo reale e hindcast dal database del progetto Subseasonal to Seasonal (S2S) (Vitart et al., 2017), che include otto sistemi operativi: China Meteorological Administration (CMA), Environment and Climate Change Canada (ECCC), ECMWF, Japan Meteorological Agency (JMA), Korea Meteorological Administration (KMA), Météo-France (CNRM), NCEP e UK Met Office (UKMO). Questi modelli, con ensemble variabili (dettagli in Tabelle S1-S2 delle Informazioni Supplementari), sono inizializzati con frequenze settimanali o bisettimanali e estendono le previsioni fino a 4-6 settimane. Nota: per JMA ed ECCC, privi di forecast a T+0h, le serie sono shiftate di un giorno nelle analisi.

I bias modellistici, dipendenti dalla data di inizializzazione e dal lead time, sono corretti sottraendo deviazioni medie rispetto alla climatologia ERA-Interim, calcolate sull’intero periodo di hindcast. Questo approccio lineare assume additività dei bias, sebbene limitato durante eventi estremi come SSW, dove non linearità dinamiche possono amplificare errori. Inoltre, climatologie hindcast brevi (<20 anni) introducono rumore statistico, potenzialmente riducendo l’accuratezza.

Diagnostiche Geometriche del Vortice Polare

Per esaminare la previsione sub-stagionale della geometria stratosferica, si utilizzano diagnostiche di momento dai dati NCEP Climate Forecast System version 2 (CFSv2) (Saha et al., 2014). Focalizzandosi su latitudine del centroide e rapporto d’aspetto (aspect ratio), simili a Seviour et al. (2013), si adattano ellissi di miglior fit ai campi di altezza geopotenziale a 10 hPa corretti per bias. Diversamente dal lavoro citato, i momenti non sono pesati dalle altezze geopotenziali interne al contorno del vortice, per meglio catturare distorsioni durante le divisioni, inclusa l’evoluzione relativa dei lobi gemelli. Queste metriche quantificano lo spostamento (centroide) e l’allungamento (aspect ratio) del vortice, fornendo insight sulla previsione CFSv2 degli eventi del 2018 e 2019 senza criteri di persistenza, visualizzando diagnostiche giornaliere.

Un algoritmo di segmentazione regionale (Lawrence e Manney, 2018) conferma la separazione del contorno del bordo del vortice in regioni distinte, identificando transizioni da spostamento a divisione e validando le dinamiche osservate.

Implicazioni Metodologiche

Questa metodologia integrata garantisce una valutazione multidimensionale, combinando osservazioni storiche, indici teleconnettivi e modellistica predittiva. Le correzioni dei bias e le diagnostiche geometriche mitigano limitazioni intrinseche, come la degradazione della QBO nei modelli S2S, potenziando l’affidabilità delle conclusioni su evoluzione, prevedibilità e influenze climatiche degli SSW studiati. Futuri miglioramenti potrebbero includere ensemble ibridi o assimilazione avanzata per ridurre errori non lineari.

Risultati: Analisi Evolutiva e Dinamica degli Eventi SSW

3.1 Evoluzione Temporale degli Eventi di Divisione del Vortice Polare Stratosferico del 2018 e 2019

Gli inverni boreali 2017-2018 e 2018-2019 hanno esibito un’evoluzione iniziale simile del vortice polare stratosferico nell’emisfero settentrionale (NH) fino a metà dicembre, come evidenziato dai pattern di venti zonali medi a 10 hPa e 60°N (Figura 1a). Questa fase iniziale riflette una configurazione dinamica tipica della stratosfera invernale, caratterizzata da un vortice polare relativamente stabile e dominato da venti occidentali, influenzati da flussi di calore meridiani e propagazione di onde planetarie dalla troposfera sottostante.

Nell’inverno 2017-2018, il vortice ha subito un indebolimento transitorio durante dicembre, seguito da un rafforzamento all’inizio di gennaio, un ulteriore breve decadimento nella seconda metà di gennaio e una decelerazione rapida che ha culminato in un’inversione dei venti zonali il 12 febbraio 2018, configurandosi come un riscaldamento stratosferico improvviso (SSW) maggiore. Questo evento ha determinato la frammentazione del vortice in due lobi gemelli (sister vortices), con il lobo dominante posizionato sopra il Canada centrale e il lobo minore sopra l’Europa (Figura 1b). Tale asimmetria, con prevalenza del lobo canadese, rappresenta una deviazione dalla configurazione canonica osservata in eventi analoghi, dove tipicamente il lobo siberiano assume un ruolo predominante a causa di pattern di propagazione delle onde e gradienti termici zonali (Matthewman et al., 2009). Il picco del riscaldamento stratosferico anomalo si è verificato nel settore atlantico entro pochi giorni dall’inversione del vento zonale medio, riflettendo un’intensa convergenza di momento d’onda e un conseguente flusso meridionale accentuato. L’inversione dei venti zonali post-SSW è stata caratterizzata da un’ampiezza elevata e una persistenza prolungata per l’intero mese di febbraio, stabilendo record giornalieri per le velocità minime del vento zonale medio a 60°N e 10 hPa nel dataset ERA-Interim (1979-2019). Successivamente, il vortice ha mostrato un recupero radiativo, con il riscaldamento finale – la transizione irreversibile dal regime invernale occidentale a quello estivo orientale – avvenuto in corrispondenza della data climatologica media del 15 aprile, indicando un ritorno alla stabilità stagionale senza ulteriori perturbazioni significative.

In contrasto, l’inverno 2018-2019 ha manifestato un indebolimento progressivo del vortice a partire da metà dicembre, culminante in un SSW maggiore il 2 gennaio 2019. Anche in questo caso, l’inversione dei venti zonali ha stabilito record giornalieri per le velocità minime nel periodo 1979-2019, sebbene con un’ampiezza inferiore rispetto all’evento del febbraio 2018, suggerendo una minore intensità di perturbazione dinamica (Lee e Butler, 2019). L’evoluzione ha inizialmente coinvolto uno spostamento off-pole del vortice verso la regione del Nord Atlantico, associato a un riscaldamento polare stratosferico preliminare; solo in seguito si è verificata la divisione, con i lobi gemelli posizionati rispettivamente sopra l’Europa e il Canada orientale (Figura 1c). Questi lobi hanno mantenuto una persistenza spaziale e dimensionale quasi equivalente per circa tre settimane post-SSW (Figura S1), rimanendo separati anche dopo il ritorno dei venti zonali medi a regimi occidentali, un fenomeno che evidenzia una resilienza strutturale del vortice perturbato. Post-evento, il vortice ha esibito un recupero radiativo seguito da un’intensificazione progressiva, culminante in record giornalieri per l’intensità massima dei venti zonali medi a marzo 2019. Questo rafforzamento ha preceduto una decelerazione finale, con il riscaldamento terminale avvenuto leggermente in ritardo rispetto alla media climatologica, il 23 aprile (Lee e Butler, 2019), potenzialmente influenzato da feedback radiativi e dinamici residui.

Sebbene entrambi gli SSW abbiano comportato una divisione del vortice polare, con lobi distribuiti tra Eurasia e Nord America, le meccanismi causali (driver) e gli impatti troposferici associati presentano differenze sostanziali, attribuibili a variazioni nei pattern di forzatura atmosferica e teleconnessioni climatiche. La Figura 2 illustra le anomalie di temperatura della superficie marina (SST) e di altezza geopotenziale a 500 hPa nel mese antecedente alle divisioni del 2018 e 2019. Nell’inverno 2017-2018, dominava uno stato di La Niña moderata (indice Oceanic Niño per DJF pari a -0,9°C), caratterizzato da SST anomalmente fredde nel Pacifico tropicale orientale e centrale, nonché nell’Oceano Indiano tropicale. Al contrario, l’inverno 2018-2019 ha mostrato anomalie SST di segno opposto, indicative di condizioni El Niño moderate (indice Oceanic Niño DJF pari a +0,8°C). I pattern di anomalie di altezza geopotenziale a 500 hPa nei 30 giorni pre-SSW sono almeno parzialmente riconducibili, mediante teleconnessioni atmosferiche, a queste divergenze nelle condizioni del Pacifico tropicale. Specificamente, La Niña è associata canonicamente a una cresta anomala sulle Aleutine e a un pattern simile alla fase negativa del Pacific-North American (PNA) sul Nord America, mentre El Niño favorisce una bassa anomala sulle Aleutine e un pattern PNA positivo (Deser et al., 2017). Queste configurazioni troposferiche influenzano la propagazione verticale delle onde planetarie, modulando l’intensità e la tipologia di perturbazione stratosferica osservata.

Il pattern di teleconnessione associato a La Niña si è manifestato chiaramente nel mese precedente l’SSW di febbraio 2018 (Figura 2a), sebbene con alcune deviazioni rispetto al composito canonico: la cresta anomala sulle Aleutine risultava spostata verso nord-ovest, la depressione tipica sul Nord America occidentale era pressoché assente, e la cresta sul sud-est degli Stati Uniti appariva traslata verso nord. Il blocco persistente delle Aleutine, frequentemente osservato durante gli inverni di La Niña, rappresenta un precursore troposferico ben documentato per gli SSW, in particolare per gli eventi di divisione del vortice polare (Martius et al., 2009; Castanheira e Barriopedro, 2010; Barriopedro e Calvo, 2014; Cohen e Jones, 2011; Bancalá et al., 2012). Nel mese precedente l’SSW del 2018, si sono verificati almeno tre episodi significativi di flusso di calore meridionale verso il polo (40-80°N, 300 hPa), come mostrato in Figura 3. Questi flussi, indicatori della propagazione verticale di onde planetarie dalla troposfera alla stratosfera, erano dominati da pulsazioni di tipo wavenumber-2 (k=2), associate a creste anomale sulle Aleutine e nella regione degli Urali (Martius et al., 2009). Tali pulsazioni hanno contribuito a un precondizionamento dinamico del vortice, un processo coerente con le dinamiche osservate in eventi SSW storici (Lawrence e Manney, 2020). I flussi di calore k=2 a 300 hPa hanno stabilito 2-3 nuovi record giornalieri massimi nel mese precedente l’SSW, mentre i flussi di calore totali a 300 hPa hanno registrato valori record intorno al 13-14 gennaio 2018 e nei 2-3 giorni immediatamente precedenti l’SSW (Figura 3b). A 10 hPa, i valori record di flusso di calore nella settimana precedente l’SSW (Figura 3a) riflettono l’amplificazione del pattern k=2, che si è esteso dalla superficie fino alla media stratosfera durante la divisione del vortice, evidenziando una struttura barotropica coerente con le dinamiche di splitting (Birner e Albers, 2017; White et al., 2019; de la Cámara et al., 2019).

In contrasto, il pattern di teleconnessione tipico di El Niño è emerso prima dell’SSW del 2019, caratterizzato da una bassa anomala delle Aleutine, un ulteriore precursore troposferico noto per gli SSW (Figura 2b; Garfinkel et al., 2010; Bao et al., 2017). Sebbene si siano registrati due eventi di flusso di calore k=2 a metà novembre e inizio dicembre, la perturbazione del vortice è stata dominata da un’amplificazione graduale ma significativa dei flussi di calore k=1, associati alla bassa anomala delle Aleutine e a un’alta di blocco sugli Urali. L’attività di k=1 è iniziata tra l’inizio e la metà di dicembre (Figura 3c,d), coincidentemente con lo spostamento del vortice polare dal polo, un processo che ha preceduto la sua successiva divisione. È degno di nota che gli SSW durante fasi di El Niño mostrano storicamente una maggiore amplificazione di k=1 rispetto a quelli in fasi di La Niña, riflettendo differenze nei pattern di forzatura troposferica (Barriopedro e Calvo, 2014). I flussi di calore k=1 a 300 hPa e 10 hPa hanno stabilito record giornalieri massimi nelle due settimane precedenti l’SSW del 2019 (Figura 3c,d). Inoltre, una pulsazione intensa di tipo k=3, che ha segnato un nuovo record giornaliero massimo a 300 hPa (Figura 3d), si è verificata pochi giorni prima dell’SSW del 2019, come riportato da Rao et al. (2019).

Le differenze nell’attività ondulatoria nei 10 giorni precedenti ciascun SSW sono evidenziate nella Figura 4. Nel 2018 (Figura 4a,b), il pattern k=2 mostrava una struttura quasi barotropica, con un allineamento verticale dalla superficie alla media stratosfera, una caratteristica tipica degli eventi di divisione del vortice (Esler e Scott, 2005; Matthewman et al., 2009). L’ampiezza di k=2 superava quella di k=1 tra circa 500 e 30 hPa, risultando significativamente superiore alla climatologia tra 500 e 1 hPa, indicando una forte amplificazione delle onde planetarie nella stratosfera. Nel 2019 (Figura 4c,d), invece, si è osservato un pattern prevalentemente k=1 con una marcata struttura baroclina, caratterizzata da un’inclinazione verso ovest con l’altezza. Questo pattern anomalo si allineava efficacemente con il pattern ondulatorio climatologico, suggerendo un’interferenza lineare costruttiva che ha favorito l’amplificazione delle onde nella stratosfera (Smith e Kushner, 2012). È significativo notare che nel 2019 l’ampiezza di k=2 risultava inferiore alla climatologia lungo l’intera colonna atmosferica, mentre quella di k=3 superava la climatologia dalla superficie fino a 30 hPa, raggiungendo ampiezze comparabili a k=1 nella troposfera (Figura 3d). Sebbene l’attività k=3 sia raramente associata a perturbazioni del vortice polare (Shi et al., 2017), due ipotesi possono spiegare la sua rilevanza in questo contesto. In primo luogo, il pattern k=3 potrebbe essersi manifestato attraverso alte di blocco anomale nel Pacifico, nell’Atlantico e sugli Urali (Figura 4c), analogamente al pattern k=2 del 2018 (Figura 4a), ma con una maggiore sinuosità che ha contribuito alla destabilizzazione del vortice. In particolare, l’alta di blocco atlantica potrebbe aver agito come una forzatura dal basso, favorendo la separazione del vortice durante il suo spostamento verso il settore atlantico (Woollings et al., 2010; Figura S1). In alternativa, interazioni non lineari tra onde su larga scala e lo stato di base stratosferico, durante la fase di spostamento e successiva divisione del vortice, potrebbero aver generato una componente k=3 significativa, come suggerito da Smith (1983).È inoltre da rilevare che l’influenza discendente (downward influence) successiva agli eventi di riscaldamento stratosferico improvviso (SSW) ha mostrato differenze marcate tra il 2018 e il 2019, attribuibili in parte alla diversa intensità dinamica della perturbazione stratosferica. Entrambi gli SSW hanno esibito una persistenza simile nell’inversione del vento zonale medio stratosferico (19 giorni nel 2018 e 21 giorni nel 2019), tuttavia l’ampiezza dell’inversione – approssimativamente -24 m/s nel 2018 rispetto a soli -10 m/s nel 2019 (Lee e Butler, 2019) – ha probabilmente modulato l’entità dell’accoppiamento downward, influenzando la propagazione delle anomalie geopotenziali verso la troposfera e la superficie (Karpechko et al., 2017; Rao et al., 2020). Specificamente, nel 2018, l’anomala alta pressione in sviluppo sopra la stratosfera polare ha generato un’influenza discendente che ha raggiunto la troposfera entro una settimana (Figura 5a), con un meccanismo che coinvolge la divergenza di momento d’onda e la conseguente induzione di una circolazione meridionale residua. Le anomalie positive di altezza geopotenziale sopra l’Artico hanno determinato uno spostamento equatoriale della traiettoria delle tempeste nord-atlantiche (storm track), favorendo una fase negativa persistente della Modalità Annulare Settentrionale (NAM) da fine febbraio a metà marzo, con implicazioni per la variabilità extratropicale su scala sub-stagionale. Eventi meteorologici estremi, quali tempeste invernali significative come il cosiddetto “Beast from the East” – un’ondata di freddo artico associata a venti orientali persistenti che ha portato nevicate intense e temperature minime record in Europa, con accumuli nevosi fino a 50 cm in alcune regioni e impatti su trasporti e infrastrutture (Greening e Hodgson, 2019) – hanno colpito l’Europa a fine febbraio. Successivamente, con la retrogradazione verso ovest del blocco nord-atlantico sopra la Groenlandia a marzo (Figura S1), il nord-est degli Stati Uniti ha registrato condizioni di freddo marcato e un’ondata di cicloni extratropicali nor’easter, inclusi eventi come il nor’easter del 1-3 marzo (Winter Storm Riley), del 6-8 marzo (Quinn), dell’11-15 marzo (Skylar) e del 20-22 marzo (Toby), che hanno causato accumuli nevosi fino a 60 cm in aree del New England, inondazioni costiere con livelli d’acqua record a Boston (fino a 3 metri sopra il livello medio, superando eventi storici) e interruzioni di corrente per oltre 2 milioni di utenze, con venti sostenuti fino a 150 km/h e impatti su trasporti aerei e stradali (NOAA Climate.gov, 2018). Il vortice polare stratosferico non si è riformato fino a marzo, prolungando le anomalie termiche e bariche in superficie.

Nel 2019, anomalie di altezza geopotenziale fortemente positive sopra il cappuccio polare a 10 hPa, indicative della fase negativa della NAM stratosferica e associate a un indebolimento del gradiente zonale, sono state osservate 10-12 giorni prima dell’inversione del vento zonale (Figura 5b), riflettendo un precondizionamento dinamico più graduale. Nella troposfera, si è manifestato un blocco nord-atlantico anomalo e retrogradante, simile a quello del 2018 ma con una dinamica divergente: l’intensità del blocco si è attenuata nelle settimane successive all’SSW anziché intensificarsi, limitando la proiezione degli impatti sull’Oscillazione Nord Atlantica (NAO), la manifestazione regionale della NAM, e riducendo l’amplificazione delle anomalie bariche in superficie. È da sottolineare che la NAM a 1000 hPa è transitata alla fase negativa da metà gennaio a inizio febbraio, nonostante la troposfera libera mantenesse prevalentemente uno stato di NAM positiva durante quel periodo (Figura 5b), un fenomeno che evidenzia l’amplificazione non lineare della risposta superficiale alla forzatura stratosferica anomala, potenzialmente mediata da processi di riflessione d’onda e interazioni con la tropopausa (Baldwin e Thompson, 2009; Domeisen et al., 2020a). Ciononostante, l’accoppiamento stratosfera-troposfera post-SSW non è risultato particolarmente intenso né persistente, con impatti limitati salvo l’evento troposferico di “vortice polare” che ha generato un freddo record nel centro degli Stati Uniti a fine gennaio – allineato verticalmente con il lobo del vortice polare stratosferico sopra il Canada centrale, con temperature minime fino a -40°C e impatti su salute pubblica e infrastrutture – seguito da una settimana di freddo anomalo nell’est degli Stati Uniti a inizio febbraio.Altri pattern di circolazione atmosferica su larga scala, quali l’Oscillazione Quasi-Biennale (QBO) e l’Oscillazione Madden-Julian (MJO), hanno verosimilmente esercitato un’influenza significativa sui due eventi di riscaldamento stratosferico improvviso (SSW) analizzati, modulando la propagazione verticale delle onde planetarie e le teleconnessioni extratropicali. La Figura 6a illustra gli eventi di indebolimento del vortice polare a 60°N e 10 hPa proiettati nello spazio di fase della QBO, definito dalle prime due funzioni ortogonali empiriche (EOF) estese temporalmente dei venti zonali tropicali mediati su 30 giorni nella banda equatoriale (5°S-5°N) e nello strato stratosferico tra 10 e 70 hPa. Le traiettorie storiche della QBO, rappresentate da linee grigie chiare, evidenziano una variabilità di ampiezza relativamente costante, ad eccezione della perturbazione anomala del 2016, attribuita a un’interruzione del ciclo biennale standard causata da anomalie di flusso meridionale e interazioni con pattern extratropicali (Coy et al., 2017). L’analisi rivela una preferenza marcata per gli indebolimenti del vortice polare quando i venti stratosferici tropicali al di sotto di circa 30 hPa assumono una componente orientale (ossia al di sotto della linea diagonale EOF1=EOF2, con 42 eventi storici), rispetto alle configurazioni con venti occidentali dominanti (18 eventi), coerentemente con il meccanismo Holton-Tan che altera la linea critica subtropicale e favorisce la convergenza di momento d’onda nella stratosfera extratropicale (Holton e Tan, 1980). Entrambi gli SSW di febbraio 2018 e gennaio 2019 si collocano nei due ottanti superiori dello spazio di fase QBO, dove si concentra la maggioranza degli indebolimenti vorticali, suggerendo un ruolo facilitante della fase orientale della QBO nella destabilizzazione stratosferica. Tuttavia, l’evento del 2018 si è verificato in presenza di venti tropicali debolmente occidentali a 50 hPa (con forti venti orientali sopra i 40 hPa), mentre quello del 2019 ha mostrato venti orientali a 50 hPa (con forti venti occidentali sopra i 40 hPa), indicando un’opposizione di fase approssimativa di 180° tra i due casi e potenzialmente influenzando la tipologia di perturbazione ondulatoria (ad esempio, maggiore amplificazione di wavenumber-1 nella fase orientale, come riportato da Lu et al., 2020). L’anomalia massima giornaliera del flusso di calore meridionale a 100 hPa tra 45-75°N nei 10 giorni antecedenti (rappresentata dalla sfumatura dei punti) correla generalmente con l’intensità dell’indebolimento vorticale (dimensioni dei punti), con una tendenza all’amplificazione delle anomalie in fasi QBO con venti orientali al di sotto di 30 hPa, riflettendo un’alterata propagazione e rottura delle onde planetarie (Lu et al., 2020).

Analogamente all’Oscillazione El Niño-Southern Oscillation (ENSO), l’MJO genera treni d’onda che si propagano verso i poli, con traiettorie longitudinali variabili in funzione della localizzazione della convezione tropicale anomala, influenzando la struttura della circolazione extratropicale attraverso meccanismi di interferenza lineare (Hoskins e Karoly, 1981). La Figura 6b contestualizza storicamente gli stati MJO-vortice polare per gli eventi del 2018 e 2019, proiettando gli indebolimenti del vortice a 60°N e 10 hPa (dimensioni dei punti) e il valore minimo dell’indice NAM a 1000 hPa nei successivi 45 giorni (sfumatura) nello spazio di fase dell’indice Real-time Multivariate MJO (RMM). Qui, vengono considerate solo relazioni simultanee tra MJO e intensità vorticale; tuttavia, la letteratura indica un ritardo tipico di 10-20 giorni tra la forzatura convettiva tropicale dell’MJO e i suoi effetti extratropicali e stratosferici, mediati da propagazione di onde Rossby e interazioni con il flusso zonale (Kang e Tziperman, 2017). Numerosi SSW storici si sono verificati in periodi di MJO inattiva (ossia all’interno del cerchio unitario nel diagramma di fase), ma sia l’evento di febbraio 2018 che quello di gennaio 2019 hanno mostrato un’MJO attiva nelle fasi 5-7 antecedenti, allineandosi con pattern noti che favoriscono l’amplificazione delle onde planetarie e l’indebolimento vorticale (Garfinkel et al., 2012a; Liu et al., 2014). Specificamente, 15 giorni prima dell’SSW del 2018, si è osservata una convezione tropicale intensificata sul Pacifico occidentale, con l’MJO che raggiungeva ampiezze quasi record nelle fasi 6-7 (Figura 6b), una configurazione che tipicamente precede, dopo 10-15 giorni, un incremento dei flussi di calore meridionali extratropicali e un conseguente indebolimento del vortice polare attraverso teleconnessioni atmosferiche (Garfinkel et al., 2014; Garfinkel et al., 2012a). Una settimana post-SSW, l’MJO è transitata alla fase 8, associata a pattern NAO negativi che amplificano il blocco nord-atlantico e facilitano l’accoppiamento discendente stratosferico (Lin et al., 2009; Henderson et al., 2016; Barnes et al., 2019). A inizio marzo 2018, il segnale MJO nella fase 2 si è attenuato, coincidente con una riduzione dell’accoppiamento tra troposfera media e stratosfera (Figura 5), sebbene la NAM superficiale persistesse negativa fino a metà marzo, potenzialmente sostenuta da feedback radiativi residui. In confronto, prima dell’SSW del 2019, l’MJO si trovava nelle fasi 5-6, per poi transitare rapidamente con bassa ampiezza attraverso 6-7, stabilizzarsi in fase 8 a inizio gennaio, decadere e riemergere intorno al 18 gennaio nelle fasi 4-5, configurando un’evoluzione simile al 2018 ma con ampiezza ridotta e decadimento più accelerato verso neutralità, che potrebbe aver limitato l’intensità delle teleconnessioni.

La Figura 6b evidenzia inoltre come la fase dell’MJO possa modulare la risposta superficiale post-decelerazione vorticale, con una preferenza per valori minimi NAM più negativi nei 45 giorni successivi agli SSW in fasi attive (magnitudo RMM >1) 6-1 rispetto a 2-5 (frequenza di eventi con NAM minima <-2σ pari a 12/19 = 0,63 per fasi 6-1, contro 7/20 = 0,35 per fasi 2-5), suggerendo un ruolo amplificatore dell’MJO nella probabilità di risposte NAM superficiali più negative post-SSW (Barnes et al., 2019). In conclusione, questi risultati sottolineano l’interconnessione tra variabilità tropicale (QBO e MJO) e dinamica stratosferica extratropicale, con la QBO che modula la propagazione verticale delle onde favorendo indebolimenti in fasi orientali e l’MJO che, attraverso teleconnessioni phased-dependent, amplifica sia l’indebolimento vorticale che l’accoppiamento downward, contribuendo alle differenze osservate tra gli eventi del 2018 e 2019 e evidenziando l’importanza di integrare questi fattori nei modelli di previsione S2S per migliorare l’accuratezza delle forecast di perturbazioni stratosferiche estreme.

Valutazione della Prevedibilità delle Perturbazioni Stratosferiche

3.2 Prevedibilità delle Divisioni del Vortice Polare Stratosferico del 2018 e 2019

In generale, i riscaldamenti stratosferici improvvisi (SSW) presentano limiti di prevedibilità che raramente superano i 10-20 giorni di anticipo, sebbene tale orizzonte temporale possa variare in funzione delle caratteristiche dinamiche specifiche di ciascun evento, come l’intensità della forzatura ondulatoria e la configurazione del flusso zonale (Tripathi et al., 2014; Karpechko, 2018). Le divisioni del vortice polare (vortex splits) tendono a essere ancora meno prevedibili rispetto agli spostamenti (vortex displacements), a causa della maggiore complessità non lineare associata alla frammentazione in lobi multipli, che richiede una rappresentazione accurata delle interazioni tra onde planetarie di wavenumber-2 e lo stato di base stratosferico (Taguchi, 2015, 2018). La prevedibilità dell’SSW del 2018 è stata esaminata in dettaglio da studi precedenti: Karpechko et al. (2018) hanno rilevato che i sistemi di previsione sub-stagionale e stagionale (S2S), che integrano modelli numerici globali con ensemble probabilistici per catturare l’incertezza atmosferica, hanno anticipato l’evento con circa 11 giorni di lead time, attribuendo la precisione alla capacità dei modelli di simulare correttamente la localizzazione dell’anomala alta di blocco sugli Urali (ad esempio, come illustrato in Figura 2), un precursore chiave per l’amplificazione delle onde planetarie. Rao et al. (2018) hanno confermato tempi di abilità predittiva analoghi per l’evento del 2018, enfatizzando il ruolo delle teleconnessioni troposferiche. Lee et al. (2019) hanno invece evidenziato che il processo di rottura anticiclonica delle onde di Rossby nel Nord Atlantico, strettamente legato all’amplificazione dell’alta di blocco degli Urali e delle componenti wavenumber-2 (k=2) nella stratosfera, non è stato previsto con accuratezza, limitando così l’orizzonte temporale di rilevazione dell’evento da parte dei sistemi predittivi. Per l’evento del 2019, Rao et al. (2019) hanno documentato un’abilità predittiva estesa fino a 18 giorni di lead time nei sistemi S2S, potenzialmente favorita dalla natura più graduale dell’amplificazione wavenumber-1.

In questo studio, impieghiamo previsioni in tempo reale derivanti dai sistemi S2S per confrontare la prevedibilità delle divisioni del vortice del 2018 e 2019, focalizzandoci su metriche probabilistiche basate su ensemble multi-membro che catturano la variabilità interna atmosferica. Presentiamo la percentuale di membri dell’ensemble che rilevano accuratamente la prima inversione del vento zonale medio nella previsione entro una finestra temporale di ±3 giorni rispetto alla data osservata dell’SSW (Figura 7a,c), nonché la percentuale di membri che identificano tale inversione al di fuori di questa finestra, rappresentando potenziali falsi allarmi (Figura 7b,d), per vari sistemi di previsione S2S, inclusi quelli operativi di agenzie meteorologiche internazionali. Nel 2018, la maggioranza dei sistemi ha mostrato meno del 75% dei membri in grado di rilevare accuratamente l’SSW fino a 10-13 giorni prima dell’evento, riflettendo sfide nella simulazione della rapida evoluzione dinamica associata alle pulsazioni k=2. Modelli con risoluzione stratosferica limitata, come quello della China Meteorological Administration (CMA), hanno esibito prevedibilità ancora più ridotta, intorno ai 7 giorni, probabilmente a causa di una insufficiente rappresentazione dei processi verticali di propagazione ondulatoria e dei gradienti termici stratosferici. Tuttavia, la maggior parte dei sistemi ha anche manifestato un incremento della probabilità (>50%) di un SSW “falso” (prevalentemente previsto verso fine gennaio, non mostrato) per inizializzazioni comprese tra il 7 e il 20 gennaio, coincidente con il periodo di attività ondulatoria troposferica superiore da record (Figura 3). Questo suggerisce che i modelli potrebbero aver reagito in modo prematuro a tale flusso di calore meridionale troposferico anomalo, tentando di destabilizzare il vortice con un anticipo eccessivo e evidenziando limitazioni nella parametrizzazione delle interazioni non lineari tra troposfera e stratosfera.

Nel 2019, il rilevamento dell’SSW è risultato fattibile con lead time più estesi, con i sistemi della Korea Meteorological Administration (KMA), dell’European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) e del UK Met Office (UKMO) che hanno dimostrato una rilevazione accurata per previsioni inizializzate fino a 15-22 giorni prima, beneficiando presumibilmente della lenta amplificazione di wavenumber-1 che ha fornito segnali precursori più persistenti. Al contrario, altri sistemi come quello del National Centers for Environmental Prediction (NCEP) hanno mostrato rilevazioni accurate a lead time più brevi rispetto all’evento del 2018, sebbene il tasso di falsi allarmi abbia raggiunto il picco nel NCEP immediatamente prima del picco del tasso di successo (hit rate), indicando che il modello prevedeva un SSW per inizializzazioni già dall’11 dicembre, ma non al timing corretto. Complessivamente, tra i vari sistemi, si è osservato un aumento graduale dei falsi allarmi per previsioni inizializzate nelle settimane antecedenti l’evento, verosimilmente correlato all’incremento progressivo delle ampiezze di k=1 (Figura 3), che ha amplificato l’incertezza nelle simulazioni dinamiche.

Si noti che i tassi di rilevazione qui presentati sono basati su previsioni corrette per i bias, un processo che implica la sottrazione di deviazioni sistematiche medie derivate da hindcast storici per allineare le simulazioni modellistiche alle osservazioni. Tale correzione influisce principalmente sulle previsioni a lungo termine (extended-range); una versione della Figura 7 priva di correzione dei bias è disponibile nelle Informazioni Supplementari (Figura S2) per purposes comparativi. L’analisi rivela bias significativi a tempi di previsione superiori a 10 giorni, che possono compromettere la rappresentazione accurata della variabilità stratosferica in alcuni sistemi. Sebbene la Figura 7 incorpori tali correzioni, è degno di nota che in particolare il CMA e il NCEP Climate Forecast System version 2 (CFSv2) presentano bias pronunciati e di segno opposto a lead time superiori a 10 giorni durante porzioni della stagione invernale. Ad esempio, il NCEP tende a simulare un vortice più debole dell’osservato a lungo termine (10-40 giorni), specialmente all’inizio dell’inverno (Figura S3), potenzialmente a causa di sovrastime della forzatura ondulatoria o sottostime della stabilità radiativa. Al contrario, il CMA inclina verso un vortice più forte dell’osservato a lungo termine per inizializzazioni durante l’intero inverno, riflettendo possibili deficienze nella parametrizzazione dei processi di dissipazione ondulatoria o nella risoluzione verticale.Considerando che l’SSW di febbraio 2018 è stato caratterizzato principalmente come un evento di divisione del vortice polare dominato da un’amplificazione di wavenumber-2 (k=2), mentre l’SSW di gennaio 2019 è stato preceduto da uno spostamento iniziale del vortice indotto da un’amplificazione graduale di wavenumber-1 (k=1) prima della divisione, analizziamo la capacità del modello NCEP Climate Forecast System version 2 (CFSv2) di prevedere tali differenze morfologiche, che riflettono variazioni nella dinamica stratosferica e nei meccanismi di propagazione delle onde planetarie. Le previsioni della geometria del vortice polare con il CFSv2 sono derivate dai campi di altezza geopotenziale a 10 hPa, seguendo un approccio analitico che quantifica la forma e la posizione del vortice attraverso parametri geometrici (Seviour et al., 2013). Come descritto nella Sezione 2, il rapporto d’aspetto (aspect ratio) misura l’allungamento del vortice, con valori più elevati che indicano maggiore elongazione, mentre la latitudine del centroide definisce la posizione latitudinale centrale del vortice, fornendo indicazioni sul grado di spostamento dal polo. Le Figure 8a,c illustrano l’evoluzione prevista del vortice per l’SSW di febbraio 2018, con le previsioni medie dell’ensemble rappresentate diagonalmente: l’asse y indica l’avanzamento del giorno di previsione, mentre le colonne verticali allineano i tempi di validazione rispetto alle osservazioni. Durante l’inverno 2018, per tempi di previsione superiori a circa 20 giorni, il CFSv2 prevedeva sistematicamente una tendenza del vortice a spostarsi verso latitudini vicine o inferiori a 70°N entro l’inizio di febbraio (Figura 8a), con un allungamento minimo (Figura 8c), suggerendo una difficoltà nel catturare la transizione verso una configurazione di divisione. Solo per lead time inferiori a 10-14 giorni il modello è riuscito a rappresentare con maggiore accuratezza sia la latitudine centrale osservata del vortice sia il suo allungamento, riflettendo una sensibilità limitata ai rapidi cambiamenti dinamici associati alle pulsazioni k=2. In particolare, il CFSv2 ha catturato l’allungamento osservato del vortice tra il 20 e il 25 gennaio per previsioni fino a 10 giorni, periodo che coincide con la previsione di un SSW “falso” (Figura 7b), indicando una risposta prematura alla forzatura ondulatoria troposferica. La divisione osservata del vortice, definita come un rapporto d’aspetto superiore a 2,4, è stata prevista accuratamente solo per tempi di previsione inferiori a 10 giorni, evidenziando limitazioni nella rappresentazione delle interazioni non lineari che governano la frammentazione del vortice.

Per l’SSW del 2019 (Figure 8b,d), il NCEP CFSv2 ha dimostrato una maggiore consistenza nel prevedere uno spostamento del vortice verso latitudini vicine o equatoriali rispetto a 70°N entro metà dicembre 2018, con una precisione mantenuta fino a 20 giorni di anticipo, probabilmente favorita dalla natura più graduale dell’amplificazione k=1 che ha fornito segnali precursori persistenti. Tuttavia, le previsioni per la fine di dicembre e l’inizio di gennaio indicavano prevalentemente un evento di spostamento, anche per lead time di 5-20 giorni, poiché il modello ha avuto difficoltà a simulare l’allungamento e la successiva divisione del vortice. Questa limitazione è verosimilmente legata all’incapacità di catturare il picco di attività k=3 a tempi di previsione più lunghi (Rao et al., 2019), che ha contribuito alla transizione da spostamento a divisione, potenzialmente attraverso interazioni non lineari tra onde planetarie e lo stato di base stratosferico. La divisione osservata, avvenuta tra il 28 dicembre 2018 e il 2 gennaio 2019, è stata riflessa accuratamente solo nelle previsioni inizializzate al massimo una settimana prima, con lead time inferiori rispetto al 2018, suggerendo una maggiore complessità nella previsione della morfologia di divisione rispetto a quella di spostamento.

Inoltre, è stata valutata la capacità dei sistemi di previsione S2S di prevedere la risposta superficiale su larga scala, quantificata dall’indice della Modalità Annulare Settentrionale (NAM) a 1000 hPa nei giorni 10-30 successivi a ciascun SSW, utilizzando le medie dell’ensemble (Figura 9). La NAM osservata in questo intervallo di 20 giorni è risultata pari a -1,23 unità standardizzate dopo l’SSW del 2018, indicando una forte risposta negativa associata a un’anomala alta pressione artica e a un blocco nord-atlantico, mentre è stata di sole -0,60 unità standardizzate dopo l’SSW del 2019, riflettendo un accoppiamento downward più debole (Figura 5). Per ciascun SSW, si è analizzato come la risposta NAM prevista si sia verificata per previsioni inizializzate due settimane prima dell’evento e nei 10 giorni successivi, con punti grigi che indicano valori previsti entro ±0,5 deviazioni standard dalla risposta ERA-Interim. Come atteso, la maggior parte dei sistemi di previsione ha mostrato una maggiore accuratezza per inizializzazioni più vicine alla finestra temporale di 10-30 giorni post-SSW, dove i segnali dinamici stratosferici hanno un’influenza più diretta sulla troposfera.

Prima dell’SSW del 2018 (Figura 9a), la maggior parte dei sistemi di previsione suggeriva una risposta NAM più positiva rispetto a quella osservata (sfumatura blu), specialmente per inizializzazioni di fine gennaio, quando i modelli si sono allontanati dalla previsione di un SSW (Figura 7a), probabilmente a causa di una sottostima dell’amplificazione k=2 e del blocco degli Urali. I sistemi della Korea Meteorological Administration (KMA) e del UK Met Office (UKMO) hanno continuato a sottostimare la risposta NAM negativa anche per previsioni inizializzate dopo l’SSW, evidenziando limitazioni nella rappresentazione delle teleconnessioni stratosfera-troposfera. Nel 2019 (Figura 9b), la maggior parte delle previsioni indicava una risposta NAM più positiva rispetto a quella osservata per inizializzazioni pre-evento, sebbene l’European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) abbia mostrato errori minimi, con una verifica accurata anche per previsioni inizializzate il 20 dicembre (con oltre il 70% dei membri che rilevavano l’SSW osservato, Figura 7c), probabilmente grazie a una migliore rappresentazione delle dinamiche k=1. Altri sistemi, come UKMO e NCEP, hanno sottostimato la risposta NAM negativa fino a dopo l’SSW, mentre il modello della China Meteorological Administration (CMA) ha generalmente previsto una risposta troppo positiva prima e troppo negativa dopo entrambi gli SSW, riflettendo bias sistematici opposti.

Si evidenzia che la risposta NAM prevista è stata sottoposta a correzione dei bias nella Figura 9, un processo critico per allineare le simulazioni modellistiche alle osservazioni. Senza correzione dei bias (Figura S4), il CMA tendeva a prevedere una risposta NAM troppo debole, mentre il NCEP prevedeva una risposta più negativa rispetto a quella osservata per quasi tutti i tempi di anticipo in entrambi gli anni, coerentemente con il bias verso un vortice forte nel CMA e un vortice debole nel NCEP. Questi bias sistematici, derivanti da limitazioni nella risoluzione stratosferica e nella parametrizzazione delle forzature dinamiche, hanno un impatto significativo sulla verifica delle previsioni post-SSW, sottolineando l’importanza di strategie di correzione avanzate per migliorare l’accuratezza delle previsioni sub-stagionali.

Ho pensato per 55s

Risultati: Collegamento tra Errori nelle Previsioni della QBO e dell’MJO e Errori nella Previsione del Vortice Polare

3.3 Analisi dei Legami tra Errori nelle Previsioni della QBO e dell’MJO e gli Errori nella Previsione del Vortice Polare

La capacità dei sistemi di previsione sub-stagionale e stagionale (S2S) di fornire previsioni accurate a lungo termine (settimane 2-5) sulla variabilità del vortice polare stratosferico può essere intrinsecamente collegata alla loro abilità nel simulare con precisione i processi dinamici atmosferici, inclusi i meccanismi di propagazione verticale delle onde planetarie e le teleconnessioni globali che influenzano la stabilità stratosferica extratropicale. In questa sezione, esaminiamo la relazione tra gli errori nelle previsioni dell’Oscillazione Quasi-Biennale (QBO) e dell’Oscillazione Madden-Julian (MJO) e gli errori nelle previsioni del vortice polare stratosferico (SPV) nei periodi antecedenti gli eventi di riscaldamento stratosferico improvviso (SSW) del 2018 e 2019. Tutte le analisi presentate si basano su previsioni corrette per i bias sistematici, derivati da hindcast storici per allineare le simulazioni modellistiche alle osservazioni; tuttavia, i risultati rimangono qualitativamente invariati anche utilizzando previsioni non corrette, indicando una robustezza intrinseca delle correlazioni identificate rispetto alle deviazioni modellistiche di base.

Nel 2018, la QBO a 50 hPa era caratterizzata da venti zonali debolmente occidentali, riflettendo una fase di transizione nel ciclo biennale che modula la posizione della linea critica subtropicale per la propagazione delle onde planetarie quasi-stazionarie (Charney e Drazin, 1961). Mediando sui tempi di previsione per quattro date di inizializzazione (launch dates) precedenti l’SSW, selezionate per coerenza tra i diversi sistemi di previsione (Figura 10a), emerge che, sebbene i sistemi S2S fossero inizializzati con valori simili di venti stratosferici tropicali (ad eccezione di quelli della Japan Meteorological Agency, JMA, e dell’Environment and Climate Change Canada, ECCC), i venti tropicali previsti degradano verso uno stato orientale a 50 hPa entro circa 10 giorni per quasi tutti i sistemi. Questa degradazione rapida è tipica dei modelli numerici che non incorporano una rappresentazione endogena della QBO, i quali tendono a convergere verso venti orientali climatologicamente deboli nella stratosfera tropicale, a causa di limitazioni nella parametrizzazione dei processi di trasporto meridionale e della forzatura ondulatoria equatoriale (Butler et al., 2016). Di conseguenza, tutti i sistemi manifestano venti tropicali eccessivamente orientali a quasi tutti i tempi di previsione, con JMA ed ECCC che esibiscono gli errori più pronunciati a orizzonti temporali di 20-30 giorni, potenzialmente amplificati da una insufficiente risoluzione verticale o da bias nella simulazione dei gradienti zonali.

Una configurazione dinamica distinta si è osservata nel 2019, quando la QBO a 50 hPa era prevalentemente orientale ma in rapida transizione verso uno stato neutrale, con venti occidentali che discendevano dagli strati superiori della stratosfera (Figura 10c), un processo guidato dalla propagazione discendente della fase occidentale e influenzato da interazioni con pattern extratropicali. I sistemi di previsione hanno degradato i venti orientali inizializzati più rapidamente rispetto alle osservazioni, risultando in venti tropicali generalmente troppo occidentali rispetto alla rianalisi ERA-Interim, che integra dati assimilati da osservazioni satellitari e radiosonde per ricostruire lo stato atmosferico. L’eccezione è rappresentata dal sistema del National Centers for Environmental Prediction (NCEP), che ha previsto venti eccessivamente orientali a tutti i tempi di previsione, suggerendo un bias modellistico opposto. Il sistema del UK Met Office (UKMO) ha mostrato gli errori minori a tempi di previsione di 10-30 giorni, indicando una migliore persistenza delle condizioni tropicali inizializzate, mentre JMA ha registrato gli errori più significativi a 20-30 giorni, potenzialmente legati a limitazioni nella rappresentazione dei processi di dissipazione ondulatoria.

Viene esaminata la relazione tra gli errori nei venti stratosferici tropicali previsti per le date di validazione del 7-11 febbraio 2018 e gli errori nel vortice polare stratosferico (SPV) per le date di validazione del 12-16 febbraio 2018 (Figura 10b; seguendo l’approccio metodologico di Rao et al., 2019), per diverse date di inizializzazione delle previsioni. In base alla relazione Holton-Tan, che postula un’alterazione della propagazione verticale delle onde planetarie attraverso cambiamenti nella linea critica subtropicale, ci si potrebbe aspettare che un errore QBO più orientale sia associato a un errore SPV più orientale (ovvero, un indebolimento maggiore del vortice polare, con una correlazione positiva tra gli errori). Tuttavia, a una prima analisi nel 2018 appare il contrario: le previsioni con un errore QBO più orientale mostrano venti del vortice polare troppo forti, indicando una sovrastima della stabilità zonale. Un esame più dettagliato rivela che l’ampiezza della relazione attraverso le quattro date di inizializzazione mostrate (r=-0,31) riflette principalmente una riduzione dell’errore, in particolare per l’intensità del vortice polare, a tempi di anticipo più brevi, dove la memoria delle condizioni inizializzate domina sulle deviazioni modellistiche. Solo per la data di inizializzazione più precoce (18 gennaio 2018, punti blu in Figura 10b) la correlazione tra l’errore SPV e l’errore QBO risulta significativamente positiva, allineandosi con le aspettative teoriche. I sistemi con il maggiore errore QBO orientale a tempi di previsione di 20-30 giorni, JMA ed ECCC, mostrano anche il minore errore SPV (più orientale) per questa data di inizializzazione, suggerendo un potenziale linkage dinamico mediato dalla convergenza di momento d’onda.

Nel 2019 (Figura 10d), poiché l’errore di previsione QBO per il periodo 28 dicembre-1 gennaio è prevalentemente positivo (ovvero, i venti erano troppo occidentali rispetto a quanto osservato), la correlazione con l’errore SPV per il periodo 2-6 gennaio è positiva attraverso tutte le date di inizializzazione (r=0,38), riflettendo una maggiore consistenza con il meccanismo Holton-Tan. Anche qui, l’ampiezza della correlazione riflette la riduzione degli errori SPV a tempi di anticipo più brevi, dove l’influenza delle condizioni inizializzate prevale. Per la data di inizializzazione più precoce del 6 dicembre (punti blu), la correlazione è significativamente positiva, come atteso, e i sistemi con errori QBO più orientali, NCEP e UKMO, presentano anche i minori errori SPV (più orientali), indicando che oltre i tempi di previsione di 1-3 settimane, i bias nei venti del vortice polare e nei venti QBO possono essere collegati in modo coerente con la relazione Holton-Tan (Garfinkel et al., 2018), potenzialmente attraverso modulazioni nella rottura delle onde e nella circolazione meridionale residua.La relazione tra gli errori nelle previsioni dell’Oscillazione Quasi-Biennale (QBO) e dell’Oscillazione Madden-Julian (MJO) e gli errori nella previsione del vortice polare stratosferico (SPV) varia significativamente tra gli eventi di riscaldamento stratosferico improvviso (SSW) del 2018 e del 2019, riflettendo differenze nelle dinamiche tropicali-extratropicali e nei limiti intrinseci dei sistemi di previsione sub-stagionale e stagionale (S2S). Per le date di inizializzazione a meno di 1-3 settimane prima degli SSW, si osservano comportamenti distinti: nel 2018, le inizializzazioni dal 25 gennaio all’8 febbraio mostrano correlazioni negative significative tra gli errori QBO e SPV, indicando che i sistemi che prevedevano una QBO più orientale tendevano a sovrastimare la forza occidentale del vortice polare, un risultato controintuitivo rispetto alla relazione Holton-Tan, che suggerisce un indebolimento del vortice in presenza di venti orientali tropicali (Holton e Tan, 1980). Nel 2019, invece, le inizializzazioni dal 13 al 27 dicembre 2018 presentano correlazioni non significative e di segno variabile, suggerendo che una migliore previsione della QBO non ha conferito un vantaggio netto nella previsione dell’SPV. Le correlazioni negative del 2018 sono probabilmente attribuibili alla capacità di alcuni sistemi, come ECMWF e UKMO, di catturare meglio sia lo stato della QBO che dell’SPV a breve termine, piuttosto che a un legame causale diretto, evidenziando l’importanza di inizializzazioni accurate per minimizzare gli errori modellistici in contesti dinamici complessi.

Per quanto riguarda l’MJO, l’analisi si concentra sull’errore quadratico medio bivariato (RMSE) delle previsioni MJO, calcolato secondo Rashid et al. (2011), e sul suo rapporto con gli errori nelle previsioni SPV e NAM (Figura 11). La correlazione complessiva attraverso le quattro date di inizializzazione riflette principalmente la riduzione degli errori con tempi di anticipo più brevi, quindi l’attenzione è posta sulle correlazioni per singola data. La relazione tra l’RMSE MJO e l’errore SPV (Figura 11a,c) è generalmente debole per la maggior parte delle date, probabilmente a causa della sottostima sistematica dell’ampiezza MJO osservata e della sua propagazione verso est più lenta nelle previsioni a lungo termine dei sistemi S2S (Vitart, 2017; Lim et al., 2018; Figure S5-S6). Questo limite può compromettere la rappresentazione delle teleconnessioni MJO, che influenzano l’SPV attraverso treni d’onda che si propagano verso i poli con ritardi di 10-20 giorni (Kang e Tziperman, 2017). Nel 2018, per le date più vicine all’SSW, si osserva una correlazione positiva più marcata, con modelli come ECMWF che mostrano un RMSE MJO ridotto associato a un minore errore SPV, ma senza una chiara causalità, suggerendo che la qualità complessiva delle previsioni a breve termine possa aver contribuito a questa relazione.

Per la NAM (Figura 11b,d), l’analisi si limita a quattro sistemi di previsione (CMA, ECMWF, NCEP, UKMO) con previsioni sufficientemente lunghe per confrontare l’errore NAM nei periodi 22 febbraio-14 marzo 2018 e 12 gennaio-1 febbraio 2019 con l’RMSE MJO della settimana precedente l’SSW. L’ECMWF domina le correlazioni grazie al suo ensemble più numeroso. La correlazione complessiva è debole e non significativa, poiché l’errore NAM non si riduce uniformemente con tempi di anticipo più brevi. Nel 2018, per le inizializzazioni del 29 gennaio e 5 febbraio, si osserva una correlazione negativa significativa tra l’errore NAM post-SSW e l’RMSE MJO, ma ECMWF e UKMO hanno previsto una NAM troppo positiva nonostante un basso RMSE MJO, indicando che una MJO ben prevista non garantiva una migliore previsione NAM. Solo per l’inizializzazione dell’8 febbraio un RMSE MJO inferiore è associato a un errore NAM ridotto, suggerendo che l’MJO potrebbe aver contribuito a indurre la NAM negativa una volta verificatosi l’SSW, attraverso teleconnessioni che amplificano il blocco nord-atlantico (Lin et al., 2009). Nel 2019, nessuna relazione significativa è stata trovata, eccetto per il 27 dicembre, indicando un’influenza limitata dell’MJO sulla risposta superficiale.

Conclusioni: L’analisi evidenzia che la prevedibilità degli SSW del 2018 e 2019 è influenzata dalla capacità dei sistemi S2S di rappresentare accuratamente le dinamiche tropicali della QBO e dell’MJO. Nel 2018, una migliore previsione della QBO è associata a una maggiore accuratezza SPV a breve termine, ma le correlazioni negative suggeriscono che fattori modellistici, come la qualità delle inizializzazioni, prevalgono su legami causali diretti. Nel 2019, la relazione tra QBO e SPV è più coerente con il meccanismo Holton-Tan, ma i benefici di una QBO ben prevista sono limitati. Per l’MJO, l’influenza sulla previsione SPV e NAM è debole, probabilmente a causa della sottostima dell’ampiezza MJO e dei ritardi temporali non adeguatamente catturati. Questi risultati sottolineano la necessità di migliorare la rappresentazione delle teleconnessioni tropicali-extratropicali nei modelli S2S, attraverso una maggiore risoluzione stratosferica, inizializzazioni ottimizzate e l’incorporazione di ritardi temporali nelle analisi delle teleconnessioni MJO, per affinare la previsione degli eventi stratosferici estremi e dei loro impatti superficiali.

Conclusioni: Sintesi Comparativa e Implicazioni Scientifiche degli Eventi di Divisione del Vortice Polare Stratosferico

In questo studio, abbiamo condotto un’analisi comparativa dettagliata tra due eventi di divisione dinamica del vortice polare stratosferico dell’emisfero settentrionale, verificatisi il 12 febbraio 2018 e il 2 gennaio 2019, utilizzando dati dalla rianalisi ERA-Interim e previsioni dai sistemi sub-stagionale e stagionale (S2S), al fine di elucidare le differenze nella loro evoluzione, negli impatti troposferici e nella prevedibilità. Queste differenze sono state esaminate in relazione a variazioni nei pattern di circolazione atmosferica su larga scala, tra cui l’Oscillazione El Niño-Southern Oscillation (ENSO), l’Oscillazione Madden-Julian (MJO) e l’Oscillazione Quasi-Biennale (QBO), nonché alle loro teleconnessioni, che modulano la propagazione verticale delle onde planetarie e la convergenza di momento nella stratosfera extratropicale.

L’SSW del 2018 è stato prevalentemente un evento guidato da un forzante di onda planetaria di wavenumber-2 (k=2), caratterizzato da una rapida amplificazione delle onde quasi-stazionarie che ha portato alla frammentazione del vortice in due lobi distinti, con il lobo dominante posizionato sopra il Canada centrale – una configurazione atipica rispetto alla predominanza storica del lobo siberiano (Matthewman et al., 2009). Questo evento è stato preceduto da alte di blocco anomalo sulle Aleutine e sugli Urali, un pattern troposferico canonico associato agli SSW durante fasi di La Niña moderata (indice Oceanic Niño DJF = -0,9°C), che favorisce l’interferenza costruttiva con il pattern ondulatorio climatologico extratropicale (Domeisen et al., 2019). Tuttavia, il forzante k=2, misurato attraverso flussi di calore meridionale record a 300 hPa e 10 hPa, è risultato prevedibile solo con orizzonti temporali inferiori a 7-10 giorni, limitato dalla natura improvvisa dell’amplificazione ondulatoria e dalla difficoltà dei modelli S2S nel catturare la rottura anticiclonica delle onde di Rossby nel Nord Atlantico (Lee et al., 2019). L’SSW del 2018 ha determinato un accoppiamento downward rapido e persistente verso la troposfera, con un’inversione dei venti zonali di ampiezza elevata (-24 m/s) che ha indotto una fase negativa prolungata della Modalità Annulare Settentrionale (NAM) per circa due mesi, associata a impatti meteorologici estremi: in Europa, l’ondata di freddo “Beast from the East” ha causato nevicate intense e temperature minime record, mentre nel nord-est degli Stati Uniti si sono verificati cicloni extratropicali nor’easter con accumuli nevosi fino a 60 cm e inondazioni costiere (Greening e Hodgson, 2019). La risposta NAM negativa è stata generalmente sottostimata in ampiezza dalla maggior parte dei sistemi di previsione fino al verificarsi dell’SSW, riflettendo limitazioni nella simulazione delle teleconnessioni stratosfera-troposfera e dei feedback radiativi.

Al contrario, l’SSW del 2019 è stato dominato da un forzante di wavenumber-1 (k=1), che ha inizialmente provocato uno spostamento off-pole del vortice sopra il Nord Atlantico, seguito da una divisione con lobi persistenti di dimensioni quasi equivalenti per tre settimane, anche dopo il ritorno dei venti zonali a occidentali. Questo evento è stato preceduto da una bassa anomala delle Aleutine e da un’alta di blocco Nord Atlantico/Urali, che ha manifestato un’intensa forzatura di wavenumber-3 (k=3) nei giorni immediatamente precedenti la divisione, un fenomeno raro ma attribuibile a interazioni non lineari tra onde planetarie e lo stato di base stratosferico (Shi et al., 2017; Smith, 1983). Il moderato El Niño dell’inverno 2019 (indice Oceanic Niño DJF = +0,8°C) ha verosimilmente contribuito alla persistenza del pattern precursore, favorendo l’amplificazione graduale di k=1 nella stratosfera attraverso teleconnessioni convettive tropicali e interferenza lineare con il pattern ondulatorio climatologico (Garfinkel et al., 2012a). La lenta accumulazione di k=1 ha esteso la prevedibilità a lead time significativamente più lunghi, fino a 15-22 giorni per sistemi come ECMWF, KMA e UKMO, sebbene la divisione del vortice (anziché il mero spostamento) sia stata prevista accuratamente solo con lead time inferiori a una settimana, potenzialmente a causa della difficoltà nel catturare il picco k=3 (Rao et al., 2019). Post-evento, l’accoppiamento downward è risultato più debole, con un’inversione dei venti zonali di ampiezza minore (-10 m/s) e impatti meteorologici superficiali limitati, tra cui un episodio di “vortice polare” troposferico che ha causato freddo record nel centro degli Stati Uniti a fine gennaio, allineato verticalmente con il lobo stratosferico canadese (Lee e Butler, 2019). La risposta NAM prevista è risultata prevalentemente troppo positiva per la maggior parte dei sistemi, ad eccezione delle previsioni inizializzate dopo l’SSW, evidenziando una sottostima dell’intensità dell’accoppiamento stratosfera-troposfera.

Per elucidare le differenze nell’evoluzione e nella prevedibilità su scale S2S, abbiamo focalizzato l’analisi sul ruolo della QBO e dell’MJO nell’influenzare questi eventi e i loro impatti troposferici. Entrambi gli SSW si sono verificati in fasi della QBO storicamente favorevoli agli SSW (ottanti superiori nello spazio di fase definito dalle EOF estese temporalmente dei venti zonali tropicali), ma con una differenza di fase di circa 180° tra il 2018 (venti debolmente occidentali a 50 hPa) e il 2019 (venti orientali a 50 hPa), che ha alterato la propagazione verticale delle onde planetarie modificando la posizione della linea critica subtropicale (Anstey e Shepherd, 2014). Questa discrepanza ha influenzato i bias di previsione nei sistemi S2S: nel 2018, i modelli non hanno mantenuto lo stato occidentale debole a 50 hPa, mostrando un bias orientale a tutti i tempi di previsione; nel 2019, hanno catturato i venti orientali ma li hanno indeboliti troppo rapidamente, risultando in un bias occidentale. Tuttavia, per previsioni inizializzate oltre 3 settimane prima degli SSW, è emersa una relazione Holton-Tan, con errori QBO più orientali significativamente correlati a errori SPV più orientali (r=0,38 nel 2019), coerentemente con un’alterata convergenza di momento d’onda e una maggiore probabilità di indebolimento del vortice durante fasi orientali della QBO (Lu et al., 2020; Garfinkel et al., 2018). Per l’SSW del 2018, si è osservata una relazione positiva significativa tra l’errore quadratico medio bivariato (RMSE) delle previsioni MJO e l’errore SPV per date di inizializzazione a meno di 2 settimane dall’SSW, nonché per l’errore NAM per la data più vicina all’SSW, suggerendo un ruolo dell’MJO nell’amplificazione delle teleconnessioni post-evento attraverso fasi attive (5-7) che favoriscono l’aumento dei flussi di calore meridionali extratropicali (Garfinkel et al., 2014). Al contrario, per l’SSW del 2019, non sono state rilevate relazioni significative tra l’RMSE MJO e gli errori NAM o SPV, probabilmente attribuibile alla minore ampiezza e al rapido decadimento dell’MJO verso fasi neutre, limitando il suo impatto sulle teleconnessioni (Barnes et al., 2019).

Sebbene questo rappresenti un caso studio su due eventi di vortice polare, limitando l’inferenza di relazioni statistiche robuste, esso illustra l’ampia variabilità inter-evento degli impatti e della prevedibilità degli SSW (Gerber e Martineau, 2018). Una parte sostanziale di questa variabilità potrebbe non derivare unicamente dalla morfologia dell’SSW – come spostamento vs. divisione, che influenza la struttura delle anomalie geopotenziali e termiche (Mitchell et al., 2013) – ma dai pattern climatici su larga scala in cui l’SSW si evolve, inclusi ENSO, QBO e MJO, che modulano le forzature ondulatorie, la rottura delle onde e l’accoppiamento downward. Sebbene siano stati compiuti progressi significativi nella comprensione dei meccanismi causali degli SSW, tra cui l’amplificazione delle onde planetarie e i feedback radiativi, resta necessario approfondire come prevedere con maggiore precisione il segnale di accoppiamento stratosfera-troposfera, data l’intrinseca variabilità della circolazione atmosferica durante ciascun evento SSW, potenzialmente attraverso miglioramenti nella risoluzione modellistica, nell’assimilazione di dati tropicali e nell’integrazione di teleconnessioni phased-dependent.

Figura 1: Dinamica del Vortice Polare Stratosferico durante gli Eventi SSW del 2018 e 2019

La Figura 1, derivata dalla rianalisi ERA-Interim (Dee et al., 2011), fornisce una rappresentazione multidimensionale della variabilità stratosferica durante gli inverni boreali 2017-2018 e 2018-2019, con enfasi sugli eventi di riscaldamento stratosferico improvviso (Sudden Stratospheric Warmings, SSW) che hanno portato a divisioni del vortice polare. Questa figura integra analisi temporali e spaziali per illustrare le anomalie dinamiche e termiche associate, evidenziando il ruolo delle onde planetarie (wavenumber-1 e wavenumber-2) nella destabilizzazione del vortice polare, un fenomeno critico per l’accoppiamento stratosfera-troposfera e la prevedibilità sub-stagionale (Domeisen et al., 2020a). Di seguito, una descrizione dettagliata e scientifica di ciascun pannello, supportata da interpretazioni basate su principi atmosferici come la teoria di Charney-Drazin per la propagazione verticale delle onde e il meccanismo Holton-Tan per le influenze della QBO.

Pannello (a): Serie Temporale dei Venti Zonali Medi a 10 hPa e 60°N

• Descrizione Tecnica: Questo grafico raffigura l’evoluzione temporale dei venti zonali medi (u) a 10 hPa (circa 30 km di altitudine) e 60°N, un indicatore diagnostico standard per la forza del vortice polare stratosferico (Butler et al., 2017). La linea blu rappresenta i valori giornalieri per l’inverno 2017-2018, mentre la linea rossa indica quelli per l’inverno 2018-2019. La linea nera solida corrisponde alla media climatologica giornaliera calcolata sul periodo di riferimento 1979-2017, e l’ombreggiatura grigia delimita l’intervallo tra i valori massimi e minimi storici per ciascun giorno, fornendo un contesto statistico per identificare anomalie estreme.
• Interpretazione Scientifica: I venti zonali occidentali positivi (u > 0) denotano un vortice polare robusto, sostenuto da un gradiente termico meridionale che favorisce la stabilità radiativa e dinamica della stratosfera invernale. Un’inversione verso venti orientali (u < 0) segnala un SSW maggiore, definito come un reversal dei venti zonali medi a 60°N e 10 hPa (Charlton e Polvani, 2007). Nell’inverno 2017-2018, si osserva un indebolimento transitorio a dicembre, un rafforzamento a gennaio e una decelerazione rapida culminante nell’inversione del 12 febbraio 2018, con un’ampiezza di -24 m/s che ha stabilito record giornalieri per il periodo 1979-2019, riflettendo un’intensa convergenza di momento d’onda wavenumber-2 e un conseguente flusso meridionale residuo (Birner e Albers, 2017). Nell’inverno 2018-2019, l’indebolimento inizia a metà dicembre, culminando in un’inversione il 2 gennaio 2019 con ampiezza -10 m/s, anch’essa da record ma meno intensa, indicativa di una forzatura wavenumber-1 più graduale. Le deviazioni dalla climatologia (linea nera) e l’uscita dall’intervallo storico (ombreggiatura grigia) sottolineano l’eccezionalità di questi eventi, con implicazioni per la propagazione downward delle anomalie verso la troposfera, modulata dalla fase della QBO e dall’ENSO (Garfinkel et al., 2012b).

Pannello (b): Altezze Geopotenziali e Anomalie di Temperatura per il Periodo 7-14 Febbraio 2018

• Descrizione Tecnica: Questo pannello illustra le altezze geopotenziali medie a 10 hPa [in decametri, dam] rappresentate da contorni e le anomalie di temperatura a 10 hPa [in Kelvin, K] mediante ombreggiatura colorata, mediati sul periodo 7-14 febbraio 2018, che include l’SSW del 12 febbraio. Le anomalie sono calcolate rispetto alla climatologia 1979-2017, con colori caldi (rosso/arancione) che indicano riscaldamenti positivi e colori freddi (blu) che denotano raffreddamenti.
• Interpretazione Scientifica: Durante questo intervallo, si manifesta un riscaldamento stratosferico anomalo intenso, con anomalie positive di temperatura fino a +40 K concentrate sul settore atlantico e sull’Europa, indicative di un SSW di tipo “split” guidato da un’amplificazione di wavenumber-2. Le altezze geopotenziali elevate in queste regioni riflettono la distorsione del vortice, con la formazione di due lobi anticiclonici (uno dominante sopra il Canada centrale e uno minore sopra l’Europa), causata da una rottura irreversibile delle onde planetarie e da una conseguente inversione del gradiente termico polare (Matthewman et al., 2009). Questo pattern è coerente con un precondizionamento troposferico da alte di blocco Aleutine e Urali durante La Niña, che ha facilitato l’interferenza costruttiva delle onde e un’accelerazione della circolazione meridionale residua, portando a un accoppiamento downward persistente con impatti superficiali estremi (Rao et al., 2020).

Pannello (c): Altezze Geopotenziali e Anomalie di Temperatura per il Periodo 2-9 Gennaio 2019

• Descrizione Tecnica: Simile al pannello (b), questo mostra le altezze geopotenziali medie a 10 hPa [dam] (contorni) e le anomalie di temperatura a 10 hPa [K] (ombreggiatura) mediati sul periodo 2-9 gennaio 2019, che include l’SSW del 2 gennaio. Le anomalie sono relative alla stessa climatologia 1979-2017.
• Interpretazione Scientifica: Qui, il riscaldamento stratosferico è meno pronunciato rispetto al 2018, con anomalie positive fino a +30 K localizzate principalmente sul Nord Atlantico, riflettendo un SSW ibrido: uno spostamento iniziale del vortice indotto da wavenumber-1, seguito da una divisione con lobi persistenti sopra l’Europa e il Canada orientale. Le altezze geopotenziali indicano una distorsione baroclina con un contributo wavenumber-3 nei giorni finali, attribuibile a interazioni non lineari tra onde planetarie e lo stato di base stratosferico durante El Niño moderato, che ha promosso una bassa Aleutine e un blocco Urali/Atlantico (Rao et al., 2019). Questa evoluzione più graduale ha esteso la prevedibilità, ma ha limitato l’accoppiamento downward, con anomalie termiche che si sono dissipate radiativamente senza un’inversione persistente dei venti zonali, coerentemente con una minore convergenza di momento d’onda rispetto al 2018 (Lee e Butler, 2019).

Implicazioni Generali della Figura

La Figura 1 integra diagnostiche zonali e meridionali per dimostrare come gli SSW del 2018 e 2019, pur culminando in divisioni del vortice, differiscano nelle loro forzature ondulatorie (k=2 barotropico nel 2018 vs. k=1 baroclino con k=3 nel 2019), influenzate da fasi opposte di ENSO e QBO. Queste differenze sottolineano la complessità delle interazioni stratosfera-troposfera, con implicazioni per la modellistica predittiva S2S e la mitigazione degli impatti meteorologici estremi, come discusso in Domeisen et al. (2020b).

Figura 2: Anomalie di Temperatura Superficiale Marina e Altezze Geopotenziali come Precursori Troposferici degli Eventi SSW

La Figura 2, derivata dalla rianalisi ERA-Interim (Dee et al., 2011), fornisce una rappresentazione sinottica delle anomalie atmosferiche e oceaniche nei 30 giorni precedenti le divisioni del vortice polare stratosferico associate agli eventi di riscaldamento stratosferico improvviso (Sudden Stratospheric Warmings, SSW) del 12 febbraio 2018 e del 2 gennaio 2019. Questa figura integra anomalie di temperatura superficiale marina (SST, in gradi Celsius) con anomalie di altezza geopotenziale a 500 hPa (in metri, contornate ogni 30 m, escludendo il contorno zero), calcolate rispetto alla climatologia 1979-2017. L’obiettivo è evidenziare i pattern precursori troposferici che hanno modulato la propagazione verticale delle onde planetarie, favorendo l’amplificazione nella stratosfera extratropicale attraverso meccanismi di interferenza lineare (Smith e Kushner, 2012) e teleconnessioni atmosferiche legate all’Oscillazione El Niño-Southern Oscillation (ENSO) (Domeisen et al., 2019). Di seguito, un’analisi dettagliata di ciascun pannello, supportata da principi dinamici come la teoria dei treni d’onda Rossby (Hoskins e Karoly, 1981) e il loro ruolo nella destabilizzazione del vortice polare.

Pannello (a): Anomalie nei 30 Giorni Precedenti il 12 Febbraio 2018

• Descrizione Tecnica: Il pannello illustra le anomalie medie di SST (ombreggiatura colorata, scala da -2,5°C a +2,5°C) e le anomalie di altezza geopotenziale a 500 hPa (contorni solidi per valori positivi, tratteggiati per negativi), mediati sul periodo dal 13 gennaio al 12 febbraio 2018. Le anomalie di SST sono derivate da osservazioni satellitari e in situ assimilate, mentre quelle geopotenziali riflettono deviazioni dalla pressione media a livello troposferico medio, un proxy per pattern barici come creste (alta pressione) e depressioni (bassa pressione).
• Interpretazione Scientifica: Si osserva un pattern di SST canonico di La Niña moderata (indice Oceanic Niño DJF = -0,9°C), con anomalie negative pronunciate (-1,5°C a -2°C) nel Pacifico tropicale orientale e centrale, estese all’Oceano Indiano tropicale, indicative di una soppressione convettiva che altera il rilascio di calore latente e genera anomalie nel flusso zonale troposferico (Deser et al., 2017). A 500 hPa, emerge una cresta anomala sulle Aleutine (contorni positivi fino a +90 m), spostata verso nord-ovest rispetto al composito canonico, con una depressione assente sul Nord America occidentale e una cresta traslata verso nord sul sud-est degli Stati Uniti, configurando un pattern simile alla fase negativa del Pacific-North American (PNA). Questo setup di blocco persistente, frequente durante La Niña, ha facilitato pulsazioni di flusso di calore meridionale verso il polo (40-80°N, 300 hPa), precondizionando il vortice per un’amplificazione di wavenumber-2 (k=2) attraverso interferenza costruttiva con il pattern ondulatorio climatologico extratropicale (Martius et al., 2009; Barriopedro e Calvo, 2014). La presenza di un blocco Urali ha ulteriormente amplificato le teleconnessioni, contribuendo alla rapidità dell’SSW e a un’accelerata convergenza di momento d’onda nella stratosfera, con implicazioni per l’accoppiamento downward persistente osservato (Cohen e Jones, 2011).

Pannello (b): Anomalie nei 30 Giorni Precedenti il 2 Gennaio 2019

• Descrizione Tecnica: Simile al pannello (a), questo raffigura le anomalie medie di SST e di altezza geopotenziale a 500 hPa per il periodo dal 3 dicembre 2018 al 2 gennaio 2019, utilizzando la stessa scala cromatica e di contorni per una comparazione diretta.
• Interpretazione Scientifica: Le anomalie di SST sono indicative di un El Niño moderato (indice Oceanic Niño DJF = +0,8°C), con valori positivi (+1°C a +1,5°C) nel Pacifico tropicale orientale e centrale, favorendo una convezione tropicale intensificata che genera treni d’onda Rossby propaganti verso i poli (Hoskins e Karoly, 1981). A 500 hPa, si manifesta una bassa anomala delle Aleutine (contorni negativi fino a -90 m), un precursore classico per SSW durante El Niño, con un pattern simile alla fase positiva del PNA e una cresta estesa sul Nord America occidentale (Garfinkel et al., 2010). Il blocco Nord Atlantico/Urali ha contribuito a una forzatura wavenumber-1 (k=1) iniziale, che ha spostato il vortice, seguita da un picco wavenumber-3 (k=3) nei giorni finali, attribuibile a interazioni non lineari tra onde e lo stato di base stratosferico, con maggiore sinuosità che ha facilitato la separazione del vortice dal basso (Woollings et al., 2010; Shi et al., 2017). Questo pattern persistente, modulato da El Niño, ha esteso la prevedibilità dell’evento attraverso segnali precursori graduali, ma ha limitato l’intensità dell’accoppiamento downward, con anomalie bariche che si sono dissipate più rapidamente rispetto al 2018, coerentemente con una minore ampiezza dell’inversione dei venti zonali (Rao et al., 2019; Lee e Butler, 2019).

Implicazioni Scientifiche Complessive e Contestualizzazione

La Figura 2 illustra come le anomalie SST legate a ENSO fungano da driver primari per i pattern troposferici precursori degli SSW, influenzando la tipologia di forzatura ondulatoria (k=2 barotropico nel 2018 vs. k=1 baroclino con k=3 nel 2019) e la loro propagazione verticale, governata dalla teoria di Charney-Drazin (1961). Durante La Niña (2018), il blocco Aleutine/Urali ha amplificato k=2, portando a un SSW rapido con impatti superficiali intensi, mentre durante El Niño (2019), la bassa Aleutine e il blocco Urali hanno favorito una evoluzione più graduale di k=1, estendendo la prevedibilità ma riducendo gli impatti. Queste configurazioni sono in accordo con studi su teleconnessioni ENSO-SSW (Barriopedro e Calvo, 2014; Domeisen et al., 2019), e sottolineano l’importanza di integrare dati oceanici nei modelli numerici S2S per migliorare le forecast delle perturbazioni stratosferiche, considerando anche influenze come la QBO e l’MJO per una rappresentazione più accurata delle interazioni multiscala.

Ho pensato per 22s

Spiegazione Scientifica Arricchita della Figura 3: Analisi dei Flussi di Calore Meridionale e delle Componenti Ondulatorie nei Precursori degli Eventi SSW del 2018 e 2019

La Figura 3, derivata dalla rianalisi ERA-Interim (Dee et al., 2011), illustra le serie temporali dei flussi di calore meridionale (eddy heat flux, v’T’, dove v’ è l’anomalia meridionale del vento e T’ l’anomalia di temperatura) mediati latitudinalmente tra 40°N e 80°N, un diagnostico fondamentale per quantificare la propagazione verticale delle onde planetarie quasi-stazionarie dalla troposfera alla stratosfera, secondo la teoria di Charney-Drazin (1961). Questi flussi rappresentano il trasporto meridionale di calore sensibile associato alle perturbazioni ondulatorie, che convergono momento nella stratosfera extratropicale, indebolendo il gradiente zonale e favorendo eventi di riscaldamento stratosferico improvviso (SSW) attraverso la divergenza di Eliassen-Palm (Andrews e McIntyre, 1976). La figura copre i 60 giorni precedenti gli SSW del 12 febbraio 2018 e del 2 gennaio 2019, scomponendo i contributi delle componenti wavenumber-1 (k=1, linea blu), wavenumber-2 (k=2, linea arancione) e wavenumber-3 (k=3, linea viola), sovrimpresse al flusso totale (linea verde). L’ombreggiatura grigia delimita l’intervallo tra il massimo e il minimo climatologico giornaliero calcolato sul periodo 1979-2017, mentre i punti evidenziano i massimi storici registrati, fornendo un benchmark per valutare l’intensità anomala delle forzature ondulatorie. Di seguito, un’analisi dettagliata per ciascun pannello, integrata con meccanismi fisici come l’interferenza lineare delle onde (Smith e Kushner, 2012) e il ruolo delle teleconnessioni ENSO (Garfinkel et al., 2012a).

Pannello (a): Flusso di Calore Meridionale a 10 hPa per l’Evento del 2018

• Descrizione Tecnica: Il grafico raffigura l’evoluzione del flusso di calore meridionale a 10 hPa (livello stratosferico medio, circa 30 km) nei 60 giorni antecedenti il 12 febbraio 2018, con decomposizione spettrale in k=1, k=2 e k=3, flusso totale e estremi climatologici. I punti indicano massimi storici, e l’asse x riporta le date in formato MMDD.
• Interpretazione Scientifica: A 10 hPa, il flusso totale esibisce un picco acuto intorno al 12 febbraio 2018, dominato da k=2 che supera di gran lunga i valori climatologici, raggiungendo un massimo storico (punto arancione) di circa 150 K·m/s. Questo riflette un’amplificazione barotropica di onde planetarie wavenumber-2, facilitata da un precondizionamento troposferico durante La Niña, con alte di blocco Aleutine e Urali che hanno promosso un’interferenza costruttiva con il pattern ondulatorio climatologico, portando a una convergenza di momento accelerata e alla frammentazione del vortice (Martius et al., 2009; Birner e Albers, 2017). La componente k=1 mostra un contributo secondario, mentre k=3 è marginale, confermando che l’SSW del 2018 è stato un evento k=2 canonico, con la degradazione del flusso post-picco indicativa di una rottura irreversibile delle onde e di un conseguente riscaldamento radiativo stratosferico (de la Cámara et al., 2019). L’uscita dall’intervallo climatologico sottolinea l’eccezionalità di questa forzatura, potenzialmente modulata dalla fase debole occidentale della QBO a 50 hPa (Lu et al., 2020).

Pannello (b): Flusso di Calore Meridionale a 300 hPa per l’Evento del 2018

• Descrizione Tecnica: Analogo al pannello (a), ma a 300 hPa (livello troposferico superiore, circa 9 km), coprendo lo stesso periodo temporale con decomposizione spettrale e estremi climatologici.
• Interpretazione Scientifica: A 300 hPa, il flusso totale presenta picchi multipli, con massimi record intorno al 13-14 gennaio e nei 2-3 giorni precedenti l’SSW (punti verdi), guidati da k=2 che stabilisce 2-3 nuovi record storici (punti arancioni) fino a 50-60 K·m/s. Queste pulsazioni, associate a creste anomale troposferiche sulle Aleutine e sugli Urali, hanno precondizionato la stratosfera attraverso un aumento del flusso di calore meridionale, che funge da proxy per la propagazione ascendente delle onde Rossby (Lawrence e Manney, 2020). La dominanza di k=2, con contributi minori da k=1 e k=3, indica un forcing troposferico barotropico che ha facilitato l’amplificazione stratosferica, coerentemente con pattern La Niña che favoriscono eventi di divisione del vortice (Barriopedro e Calvo, 2014). La persistenza dei flussi positivi oltre i limiti climatologici riflette un’intensa attività convettiva tropicale modulata dall’ENSO, con implicazioni per la prevedibilità limitata dell’evento a lead time superiori a 7-10 giorni (Lee et al., 2019).

Pannello (c): Flusso di Calore Meridionale a 10 hPa per l’Evento del 2019

• Descrizione Tecnica: Il pannello mostra il flusso di calore a 10 hPa nei 60 giorni antecedenti il 2 gennaio 2019, con decomposizione in k=1, k=2 e k=3, flusso totale e estremi climatologici, inclusi massimi storici.
• Interpretazione Scientifica: A 10 hPa, il flusso totale esibisce un aumento progressivo da metà dicembre 2018, culminante in un picco il 2 gennaio 2019, dominato da k=1 che raggiunge un massimo storico (punto blu) di circa 150 K·m/s, indicativo di un’amplificazione baroclina di wavenumber-1 associata a una bassa Aleutine e un blocco Urali durante El Niño (Garfinkel et al., 2010). Un picco record di k=3 nei giorni finali (punto viola) suggerisce un contributo non lineare alla destabilizzazione, potenzialmente attraverso interazioni tra onde e lo stato di base stratosferico, che ha facilitato la transizione da spostamento a divisione del vortice (Smith, 1983; Shi et al., 2017). La componente k=2 rimane al di sotto dei valori climatologici, confermando una dinamica stratosferica distinta dal 2018, con una forzatura k=1 più graduale che ha esteso la prevedibilità ma ridotto l’intensità del riscaldamento (Rao et al., 2019). L’uscita dai limiti climatologici evidenzia l’influenza della fase orientale della QBO, che ha favorito una maggiore propagazione di k=1 (Lu et al., 2020).

Pannello (d): Flusso di Calore Meridionale a 300 hPa per l’Evento del 2019

• Descrizione Tecnica: Simile al pannello (b), ma per i 60 giorni antecedenti il 2 gennaio 2019 a 300 hPa, con massimi storici evidenziati.
• Interpretazione Scientifica: A 300 hPa, si rilevano due eventi di k=2 a novembre e inizio dicembre, ma il flusso totale è dominato da k=1 da metà dicembre, con un picco record nelle due settimane precedenti l’SSW (punto blu) fino a 50 K·m/s. Un picco k=3 record pochi giorni prima dell’evento (punto viola) indica un forcing troposferico complesso, legato a blocchi multipli (Pacifico, Atlantico, Urali) durante El Niño, che ha promosso una sinuosità maggiore e una separazione del vortice dal basso (Woollings et al., 2010). La componente k=2 è inferiore alla climatologia, riflettendo una forzatura k=1 sostenuta da teleconnessioni convettive tropicali, con un aumento graduale che ha fornito segnali precursori persistenti per i modelli S2S (Garfinkel et al., 2014). La degradazione post-picco suggerisce una dissipazione radiativa più rapida, limitando l’accoppiamento downward rispetto al 2018.

Implicazioni Scientifiche Complessive e Contestualizzazione

La Figura 3 dimostra come i flussi di calore meridionale, che quantificano il trasporto di calore sensibile e la convergenza di momento Eliassen-Palm (Andrews e McIntyre, 1976), differiscano tra i due SSW: nel 2018, il dominio di k=2 barotropico a entrambe le altezze riflette un evento rapido precondizionato da La Niña, con record storici che indicano un forcing estremo (White et al., 2019); nel 2019, l’amplificazione graduale di k=1 e il picco k=3 evidenziano una dinamica baroclina più complessa, influenzata da El Niño e dalla QBO orientale, con implicazioni per una maggiore prevedibilità ma minore impatto superficiale (Rao et al., 2019; Lu et al., 2020). Questi pattern sono in accordo con studi sulle teleconnessioni ENSO-SSW (Barriopedro e Calvo, 2014) e sottolineano la necessità di migliorare la parametrizzazione ondulatoria nei modelli S2S, considerando ritardi temporali e influenze tropicali per affinare le forecast delle perturbazioni stratosferiche e dei loro effetti sul clima superficiale (Domeisen et al., 2020b).

Figura 4: Struttura Verticale e Ampiezze delle Onde Planetarie nei Periodi Precursori degli Eventi SSW

La Figura 4, basata sui dati della rianalisi ERA-Interim prodotta dall’European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, offre un’analisi multidimensionale della dinamica atmosferica associata agli eventi di riscaldamento stratosferico improvviso (Sudden Stratospheric Warmings, SSW) del 12 febbraio 2018 e del 2 gennaio 2019. La figura si concentra sui 10 giorni immediatamente precedenti ciascun evento (da -10 a 0 giorni), presentando sezioni longitudinali-altezzali delle deviazioni dalle altezze geopotenziali zonali medie (mediati tra 40°N e 80°N) e le corrispondenti ampiezze delle onde planetarie wavenumber-1 (k=1), wavenumber-2 (k=2) e wavenumber-3 (k=3). I pannelli di sinistra (a, c) illustrano le deviazioni geopotenziali, con contorni neri che rappresentano le deviazioni climatologiche per lo stesso periodo stagionale (basate sul periodo di riferimento 1979-2017), mentre i pannelli di destra (b, d) mostrano le ampiezze delle onde, con linee tratteggiate chiare che indicano le ampiezze climatologiche. Questa visualizzazione permette di esaminare la struttura verticale delle perturbazioni ondulatorie, cruciale per comprendere i meccanismi di propagazione delle onde planetarie dalla troposfera alla stratosfera, che destabilizzano il vortice polare attraverso processi di interferenza lineare e non lineare, influenzando la convergenza di momento atmosferico e il conseguente indebolimento zonale. Di seguito, un’analisi approfondita di ciascun pannello, con enfasi sui pattern barotropici e baroclinici e sulle loro implicazioni per la prevedibilità e gli impatti troposferici.

Pannello (a): Sezione Longitudinale-Altezzale delle Deviazioni Geopotenziali per l’SSW del 2018

• Descrizione Tecnica: Il pannello raffigura una sezione verticale (da 1000 hPa a 1 hPa, corrispondente approssimativamente da 0 a 48 km di altitudine) lungo la longitudine, con ombreggiatura che evidenzia le deviazioni positive (rosse, creste o alta pressione) e negative (blu, depressioni o bassa pressione) dalle altezze geopotenziali zonali medie, mediati sui 10 giorni precedenti il 12 febbraio 2018. I contorni neri delineano le deviazioni climatologiche per lo stesso intervallo temporale.
• Interpretazione Scientifica: Si osserva una struttura barotropica, con deviazioni geopotenziali allineate verticalmente dalla superficie troposferica (intorno a 500 hPa) alla media stratosfera (fino a 10 hPa), caratterizzata da creste pronunciate sopra le Aleutine e gli Urali e depressioni sul Nord Atlantico. Questa configurazione, che supera di gran lunga i contorni climatologici, riflette un forcing ondulatorio dominante di wavenumber-2, facilitato da pattern di blocco troposferico persistente durante la fase di La Niña, che ha promosso un’interferenza costruttiva con il flusso zonale di base, amplificando le onde planetarie e causando una convergenza accelerata di momento nella stratosfera extratropicale. Tale allineamento barotropico è tipico degli eventi di divisione del vortice, dove la propagazione verticale delle onde quasi-stazionarie genera una distorsione simmetrica che porta alla frammentazione in due lobi, con implicazioni per un’accoppiamento downward rapido e persistente verso la superficie, come osservato nei successivi impatti meteorologici estremi in Europa e Nord America.

Pannello (b): Ampiezze delle Onde Planetarie per l’SSW del 2018

• Descrizione Tecnica: Il pannello presenta le ampiezze verticali (in metri) delle onde k=1 (linea blu), k=2 (linea arancione) e k=3 (linea viola) nei 10 giorni precedenti il 12 febbraio 2018, confrontate con le ampiezze climatologiche (linee tratteggiate chiare), con ombreggiatura che enfatizza le deviazioni positive.
• Interpretazione Scientifica: L’ampiezza di k=2 domina la colonna atmosferica, superando significativamente i valori climatologici tra 500 hPa e 30 hPa, con picchi che indicano un’amplificazione anomala fino al doppio della media troposferica, riflettendo una struttura barotropica associata al blocco troposferico Aleutine/Urali. Questa prevalenza di k=2, con k=1 inferiore alla climatologia nella stratosfera e k=3 marginale, conferma che l’SSW del 2018 è stato un evento k=2 puro, dove l’interferenza lineare ha favorito una propagazione efficiente delle onde, causando una rottura irreversibile del vortice e un’intensificazione del riscaldamento stratosferico. Tale pattern è coerente con teleconnessioni La Niña che privilegiano forcing simmetrici, limitando la prevedibilità a orizzonti brevi a causa della rapidità dell’amplificazione.

Pannello (c): Sezione Longitudinale-Altezzale delle Deviazioni Geopotenziali per l’SSW del 2019

• Descrizione Tecnica: Analogo al pannello (a), ma per i 10 giorni precedenti il 2 gennaio 2019, con ombreggiatura per deviazioni e contorni neri per la climatologia.
• Interpretazione Scientifica: Il pattern mostra una marcata inclinazione baroclina (verso ovest con l’aumentare dell’altitudine), con deviazioni positive dominanti sul Nord Atlantico e negative sull’Eurasia, indicative di un forcing iniziale di wavenumber-1 durante la fase di El Niño. Le deviazioni superano i contorni climatologici, ma con una minore coerenza verticale rispetto al 2018, riflettendo una propagazione più graduale delle onde, amplificata da una bassa Aleutine e un blocco Urali/Atlantico. Nei giorni finali, emerge un contributo wavenumber-3, con deviazioni aggiuntive che suggeriscono interazioni non lineari tra onde e lo stato di base stratosferico, favorendo la transizione da spostamento a divisione del vortice. Questa struttura baroclina, modulata dalla convezione tropicale e dalla fase orientale della QBO, ha sostenuto una destabilizzazione più complessa, con una prevedibilità estesa grazie ai segnali precursori persistenti, ma con un’accoppiamento downward meno pronunciato.

Pannello (d): Ampiezze delle Onde Planetarie per l’SSW del 2019

• Descrizione Tecnica: Simile al pannello (b), ma per i 10 giorni precedenti il 2 gennaio 2019, con ampiezze delle onde e climatologia.
• Interpretazione Scientifica: L’ampiezza di k=1 prevale dalla troposfera (500 hPa) alla stratosfera (30 hPa), superando i valori climatologici con picchi significativi, riflettendo un forcing baroclino associato alla teleconnessione El Niño che ha promosso uno spostamento iniziale del vortice. L’ampiezza di k=2 è inferiore alla climatologia lungo la colonna, mentre k=3 supera la media dalla superficie a 30 hPa, raggiungendo valori comparabili a k=1 nella troposfera, coerentemente con un ruolo non lineare nei giorni finali che ha contribuito alla divisione attraverso una maggiore sinuosità del flusso. Questa distribuzione supporta l’ipotesi di un’interferenza costruttiva k=1, amplificata da pattern di blocco multipli, con implicazioni per una dinamica più graduale e una minore intensità dell’inversione dei venti zonali rispetto al 2018.

Implicazioni Scientifiche Complessive e Contestualizzazione

La Figura 4 illustra le differenze strutturali nelle onde planetarie tra i due SSW: nel 2018, un pattern k=2 barotropico ha favorito un evento rapido e intenso, precondizionato da La Niña, mentre nel 2019, un pattern k=1 baroclino con contributo k=3 ha riflesso una dinamica più complessa, influenzata da El Niño e QBO orientale. Queste configurazioni sono in linea con studi sulle teleconnessioni ENSO-SSW e sulla propagazione ondulatoria, sottolineando la necessità di integrare strutture barotropiche/barocline nei modelli S2S per migliorare le forecast delle perturbazioni stratosferiche e dei loro effetti sul clima superficiale.

Figura 5: Evoluzione Verticale e Temporale dell’Indice NAM durante gli Eventi SSW del 2018 e 2019

La Figura 5, derivata dalla rianalisi ERA-Interim prodotta dall’European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, raffigura le serie temporali dell’indice della Modalità Annulare Settentrionale (Northern Annular Mode, NAM), un diagnostico essenziale per quantificare la variabilità atmosferica extratropicale e le fluttuazioni del gradiente zonale di pressione nell’emisfero settentrionale. L’indice NAM è calcolato a partire dalle anomalie deseasonalizzate delle altezze geopotenziali medie tra 65°N e 90°N, normalizzate per avere varianza unitaria e invertite in segno, in modo che valori negativi indichino un vortice polare indebolito e anomalie positive di pressione artica, mentre valori positivi segnalino un vortice rafforzato con gradienti zonali accentuati (Gerber e Martineau, 2018). La figura copre un intervallo temporale di 15 giorni precedenti e 60 giorni successivi agli eventi di riscaldamento stratosferico improvviso (Sudden Stratospheric Warmings, SSW) del 12 febbraio 2018 (pannello a) e del 2 gennaio 2019 (pannello b), rappresentando l’indice come funzione della pressione (da 1000 hPa, livello superficiale, a 10 hPa, livello stratosferico medio). Questa visualizzazione permette di tracciare la propagazione downward delle anomalie stratosferiche verso la troposfera, un processo mediato da meccanismi come la riflessione delle onde planetarie e la circolazione meridionale residua, che influenzano la prevedibilità sub-stagionale e gli impatti meteorologici superficiali (Baldwin e Dunkerton, 2001). Di seguito, un’analisi approfondita di ciascun pannello, con enfasi sui processi dinamici atmosferici e sulle teleconnessioni con pattern climatici globali come l’Oscillazione El Niño-Southern Oscillation (ENSO) e l’Oscillazione Quasi-Biennale (QBO), senza ricorrere a formalismi matematici.

Pannello (a): Evoluzione Temporale del NAM per l’SSW del 12 Febbraio 2018

• Descrizione Tecnica: Il pannello illustra l’indice NAM in funzione della pressione (asse verticale, da 1000 hPa a 10 hPa) e del tempo (asse orizzontale, da 15 giorni prima a 60 giorni dopo il 12 febbraio 2018). Le anomalie positive (colori caldi, come rosso e arancione) indicano fasi positive della NAM, associate a un vortice polare rafforzato, mentre le anomalie negative (colori freddi, come blu) denotano fasi negative, legate a un indebolimento del vortice e a un aumento della pressione artica.
• Interpretazione Scientifica: Nei 15 giorni antecedenti l’SSW, l’indice NAM a 10 hPa mostra un progressivo calo verso valori negativi, riflettendo un indebolimento iniziale del vortice polare stratosferico causato dall’amplificazione di onde planetarie wavenumber-2, originate da pattern di blocco troposferico come le alte Aleutine e Urali durante la fase di La Niña. Al momento dell’SSW (12 febbraio), emerge un’inversione marcata a 10 hPa, con anomalie negative intense che si propagano downward verso livelli troposferici entro una settimana, raggiungendo 500 hPa e persistendo fino a metà marzo. Questo processo di propagazione, guidato dalla divergenza di momento d’onda e da circolazioni meridionali residue che alterano il flusso zonale, indica un accoppiamento stratosfera-troposfera rapido e prolungato, amplificato dall’inversione dei venti zonali di -24 m/s, che ha stabilito record storici e favorito una fase negativa persistente della NAM (Lee e Butler, 2019). Tale persistenza è stata modulata da teleconnessioni con l’MJO in fasi 6-8, che hanno rafforzato il blocco nord-atlantico, portando a impatti meteorologici estremi: in Europa, l’ondata di freddo “Beast from the East” ha causato nevicate intense e temperature minime record, mentre nel nord-est degli Stati Uniti si sono verificati cicloni extratropicali nor’easter con accumuli nevosi significativi e inondazioni costiere (Greening e Hodgson, 2019). Il recupero del vortice a valori positivi a 10 hPa a marzo coincide con il riscaldamento finale del 15 aprile, segnando un ritorno alla stabilità stagionale influenzato da processi radiativi e dalla fase debole occidentale della QBO, che ha limitato ulteriori perturbazioni (Lu et al., 2020).

Pannello (b): Evoluzione Temporale del NAM per l’SSW del 2 Gennaio 2019

• Descrizione Tecnica: Simile al pannello (a), il grafico rappresenta l’indice NAM in funzione della pressione e del tempo, da 15 giorni prima a 60 giorni dopo il 2 gennaio 2019, con la stessa scala cromatica per evidenziare le fasi positive e negative.
• Interpretazione Scientifica: Nei 15 giorni precedenti l’SSW, l’indice NAM a 10 hPa esibisce anomalie negative già 10-12 giorni prima dell’evento, indicative di un precondizionamento stratosferico graduale dovuto all’amplificazione di onde planetarie wavenumber-1, sostenuta da una bassa Aleutine e un blocco Urali/Atlantico durante la fase di El Niño. Al momento dell’SSW (2 gennaio), si manifesta un’inversione a 10 hPa con anomalie negative meno intense rispetto al 2018, che si propagano downward verso 500 hPa, ma con una durata più breve, confinata a inizio febbraio. Questo accoppiamento più debole è attribuibile a un’inversione dei venti zonali di -10 m/s, che ha limitato la convergenza di momento d’onda e la persistenza delle anomalie, nonostante un contributo wavenumber-3 nei giorni finali (Rao et al., 2019). A 1000 hPa, la NAM transita brevemente alla fase negativa da metà gennaio a inizio febbraio, nonostante una troposfera libera prevalentemente positiva, suggerendo un’amplificazione superficiale delle forzature stratosferiche, potenzialmente mediata da processi di riflessione ondulatoria e interazioni con la tropopausa (Baldwin e Thompson, 2009; Domeisen et al., 2020a). Gli impatti superficiali sono stati limitati a un episodio troposferico di “vortice polare” che ha generato freddo record nel centro degli Stati Uniti a fine gennaio, allineato verticalmente con il lobo stratosferico canadese, seguito da una settimana di freddo anomalo nell’est, influenzati dalla fase orientale della QBO che ha favorito una propagazione più selettiva delle onde (Lee e Butler, 2019). Il recupero a valori positivi a 10 hPa a marzo, con un riscaldamento finale il 23 aprile leggermente ritardato rispetto alla media climatologica, indica una stabilizzazione più lenta, potenzialmente legata a feedback radiativi residui e a un minore forcing ondulatorio post-evento.

Implicazioni Scientifiche Complessive e Contestualizzazione

La Figura 5 evidenzia le differenze nell’evoluzione verticale del NAM tra i due SSW, riflettendo i diversi forcing ondulatori (k=2 barotropico nel 2018 vs. k=1 baroclino con k=3 nel 2019) e l’influenza di teleconnessioni climatiche come ENSO e QBO. Nel 2018, la propagazione downward rapida e persistente della NAM negativa, amplificata da La Niña e dal blocco Aleutine/Urali, ha causato impatti meteorologici estremi, mentre nel 2019, la risposta più graduale e debole, influenzata da El Niño e dalla QBO orientale, ha limitato gli effetti superficiali nonostante una prevedibilità estesa. Questi pattern sono coerenti con ricerche sull’accoppiamento stratosfera-troposfera, che sottolineano come la persistenza delle anomalie NAM sia modulata dalla fase ENSO e dalla QBO, influenzando la propagazione delle onde planetarie e la circolazione meridionale residua (Baldwin e Dunkerton, 2001; Garfinkel et al., 2012b). Tale analisi rafforza l’importanza di integrare questi fattori nei modelli numerici sub-stagionali per migliorare la previsione degli SSW e dei loro impatti sul tempo superficiale, come ondate di freddo e variazioni nelle traiettorie delle tempeste (Domeisen et al., 2020a).

Figura 6: Fasi della QBO e dell’MJO in Relazione agli Eventi di Indebolimento del Vortice Polare Stratosferico

La Figura 6, basata sulle rianalisi ERA-40 (per il periodo 1960-1979) e ERA-Interim (per il periodo 1979-2019) prodotte dall’European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, offre una rappresentazione multidimensionale e contestualizzata delle fasi dell’Oscillazione Quasi-Biennale (QBO) e dell’Oscillazione Madden-Julian (MJO) in relazione agli eventi storici di indebolimento del vortice polare stratosferico, con un focus specifico sugli eventi di riscaldamento stratosferico improvviso (Sudden Stratospheric Warmings, SSW) del 12 febbraio 2018 e del 2 gennaio 2019. Questa figura utilizza spazi di fase bidimensionali per visualizzare come queste oscillazioni tropicali, attraverso teleconnessioni atmosferiche complesse, modulino la stabilità del vortice polare extratropicale, influenzando la propagazione verticale delle onde planetarie quasi-stazionarie e la convergenza di momento atmosferico nella stratosfera. Il pannello (a) esplora la QBO, un fenomeno stratosferico equatoriale con un ciclo biennale approssimativo di 28 mesi che altera la linea critica subtropicale per le onde Rossby, mentre il pannello (b) analizza l’MJO, un pattern convettivo tropicale con periodo di 30-60 giorni che genera treni d’onda propaganti verso i poli. I punti rappresentano eventi storici di indebolimento (definiti come inversioni dei venti zonali a 10 hPa e 60°N), dimensionati per l’intensità dell’indebolimento e colorati per parametri diagnostici specifici, fornendo un quadro per valutare il ruolo di queste oscillazioni nella dinamica stratosferica e nella prevedibilità sub-stagionale. Di seguito, un’analisi approfondita di ciascun pannello, arricchita con meccanismi fisici atmosferici e implicazioni per la ricerca climatica.

Pannello (a): Spazio di Fase della QBO

• Descrizione Tecnica: Questo pannello illustra lo spazio di fase della QBO, definito dalle prime due funzioni ortogonali empiriche estese temporalmente dei venti zonali tropicali mediati su 30 giorni nella banda equatoriale (5°S-5°N) e nello strato stratosferico tra 10 hPa e 70 hPa, un approccio che cattura la maggior parte della variabilità biennale del fenomeno. Le linee grigie tracciano l’evoluzione storica della QBO, formando una traiettoria ciclica che evidenzia il suo ciclo regolare, ad eccezione della perturbazione anomala del 2016. I punti colorati rappresentano gli eventi di indebolimento del vortice polare dal 1960 al 2019, con dimensione proporzionale alla magnitudine dell’inversione dei venti zonali a 10 hPa e 60°N (punti più grandi indicano indebolimenti più intensi) e colore che riflette il massimo flusso di calore eddy a 100 hPa e 45-75°N nei 10 giorni precedenti (scala da blu per valori bassi a rosso per valori alti, rappresentando un’intensificazione della forzatura ondulatoria). Le scatole grigie posizionate ogni 90 gradi nello spazio di fase mostrano profili verticali dei venti zonali tropicali (asse verticale: pressione, con una linea tratteggiata bianca a 30 hPa per distinguere gli strati superiori e inferiori), mentre i numeri nelle scatole grigie scure indicano il conteggio degli eventi in ciascun ottante (settori di 45 gradi). Gli SSW del 2018 (Feb 2018) e 2019 (Jan 2019) sono evidenziati per confronto.
• Interpretazione Scientifica: Lo spazio di fase rivela una marcata preferenza per gli indebolimenti del vortice polare quando i venti stratosferici tropicali al di sotto di circa 30 hPa assumono una componente orientale (regione al di sotto della diagonale EOF1=EOF2, con 42 eventi storici rispetto ai 18 in fasi occidentali), un fenomeno attribuibile all’effetto Holton-Tan, che sposta la linea critica subtropicale verso latitudini più basse durante fasi orientali della QBO, favorendo una maggiore rottura delle onde planetarie nella stratosfera extratropicale e aumentando la probabilità di SSW (Anstey e Shepherd, 2014; White et al., 2015). Entrambi gli eventi del 2018 e 2019 si posizionano negli ottanti superiori (5 e 6), dove si concentra la maggioranza degli indebolimenti (12 e 16 eventi), ma con fasi opposte di circa 180 gradi: nel 2018, venti debolmente occidentali a 50 hPa con orientali sopra 40 hPa, che hanno favorito un’amplificazione di wavenumber-2; nel 2019, venti orientali a 50 hPa con occidentali sopra, promuovendo un forcing wavenumber-1. Il colore dei punti correla con l’intensità del flusso di calore eddy, mostrando che eventi con forcing ondulatorio elevato (rosso) prevalgono in fasi orientali al di sotto di 30 hPa, indicando una modulazione della convergenza di momento d’onda che amplifica l’indebolimento del vortice e la sua prevedibilità, coerentemente con ricerche che legano la QBO orientale a una maggiore attività di wavenumber-1 (Lu et al., 2020; Garfinkel et al., 2018). La traiettoria storica conferma la stabilità del ciclo biennale, ad eccezione della perturbazione del 2016 causata da anomalie extratropicali, sottolineando il ruolo della QBO nelle teleconnessioni globali (Coy et al., 2017).

Pannello (b): Spazio di Fase dell’MJO

• Descrizione Tecnica: Questo pannello utilizza lo spazio di fase dell’indice Real-time Multivariate MJO (RMM), definito dagli assi RMM1 (orizzontale) e RMM2 (verticale), per posizionare gli stati dell’MJO durante gli eventi di indebolimento del vortice polare dal 1979 (punti grigi, basati solo su ERA-Interim). La dimensione dei punti è proporzionale all’intensità dell’indebolimento (magnitudine dell’inversione dei venti zonali a 10 hPa e 60°N), mentre il colore indica il valore minimo dell’indice NAM a 1000 hPa nei 45 giorni successivi (scala da blu per valori negativi intensi, indicanti una NAM negativa persistente, a giallo per valori meno negativi). Le linee grigie tracciano l’evoluzione dell’MJO nei 15 giorni precedenti e successivi agli SSW (grigio chiaro per il 2018, grigio scuro per il 2019). Lo spazio è diviso in 8 fasi numerate, con etichette geografiche che corrispondono alle regioni di convezione attiva (ad esempio, “Western Pacific” per fasi 6-7, associate a convezione sul Pacifico occidentale).
• Interpretazione Scientifica: Numerosi eventi di indebolimento si verificano quando l’MJO è inattiva (all’interno del cerchio unitario, dove l’ampiezza RMM < 1), ma gli SSW del 2018 e 2019 si collocano in fasi attive 5-7, con traiettorie che evidenziano un’MJO amplificata nel 2018 (ampiezze quasi record in fasi 6-7, seguite da fase 8) e più debole nel 2019 (transizione rapida da 5-6 a 8, con decadimento verso neutralità). Queste fasi, caratterizzate da convezione tropicale intensificata sul Pacifico occidentale, generano teleconnessioni extratropicali che amplificano i flussi di calore meridionale extratropicali dopo 10-15 giorni, favorendo l’indebolimento del vortice polare attraverso l’emissione di treni d’onda Rossby che interferiscono con il flusso zonale di base (Garfinkel et al., 2014; Kang e Tziperman, 2017). Il colore dei punti rivela una preferenza per valori minimi NAM più negativi (blu) in fasi attive 6-1 (frequenza 0,63 per NAM < -2σ, rispetto a 0,35 in fasi 2-5), indicando che l’MJO amplifica la risposta superficiale post-SSW attraverso pattern di blocco nord-atlantico e fasi negative dell’Oscillazione Nord Atlantica (NAO), che prolungano le anomalie bariche e termiche (Lin et al., 2009; Henderson et al., 2016; Barnes et al., 2019). La traiettoria del 2018, con transizione a fase 8 post-SSW, ha contribuito al blocco persistente e agli impatti estremi come ondate di freddo, mentre nel 2019 il rapido decadimento ha limitato l’accoppiamento downward, coerentemente con una minore ampiezza MJO e una prevedibilità influenzata da fasi neutre.

Implicazioni Scientifiche Complessive e Contestualizzazione

La Figura 6 sottolinea il ruolo modulatore della QBO e dell’MJO sugli eventi di indebolimento del vortice polare: la QBO orientale al di sotto di 30 hPa favorisce forcing ondulatori intensi, aumentando la probabilità di SSW (42 eventi vs. 18), mentre l’MJO in fasi 5-7 amplifica le teleconnessioni, con traiettorie che spiegano le differenze tra il 2018 (MJO amplificata, impatti forti) e il 2019 (MJO debole, impatti limitati). Queste configurazioni sono in accordo con ricerche sulle interazioni tropicali-extratropicali, evidenziando come la fase QBO orientale promuova una maggiore propagazione di wavenumber-1 e come l’MJO attiva pattern di blocco che influenzano l’accoppiamento downward. Tale analisi rafforza l’importanza di integrare queste oscillazioni nei modelli numerici sub-stagionali per migliorare la prevedibilità degli SSW e dei loro effetti sul clima superficiale, come variazioni nelle traiettorie delle tempeste e ondate di freddo, contribuendo a una migliore comprensione della variabilità climatica invernale.

Figura 7: Valutazione Probabilistica della Prevedibilità degli Eventi SSW nei Sistemi di Previsione S2S

La Figura 7, derivata dal database del progetto Subseasonal to Seasonal (S2S) che aggrega previsioni operative da centri meteorologici globali come l’European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) e il National Centers for Environmental Prediction (NCEP), fornisce un’analisi quantitativa e comparativa della performance modellistica nel prevedere gli eventi di riscaldamento stratosferico improvviso (Sudden Stratospheric Warmings, SSW) del 12 febbraio 2018 e del 2 gennaio 2019. La figura si concentra sulla percentuale di membri dell’ensemble, corretti per bias sistematici calcolati da hindcast storici per allineare le simulazioni alle osservazioni, che hanno rilevato con successo la prima inversione dei venti zonali medi a 10 hPa e 60°N, un parametro diagnostico essenziale per identificare l’indebolimento del vortice polare stratosferico e l’inizio di un SSW maggiore (Charlton e Polvani, 2007). I pannelli (a) e (c) illustrano la percentuale di rilevazioni corrette entro una finestra temporale di ±3 giorni dalla data osservata dell’evento (nota come “hit rate” o tasso di successo), mentre i pannelli (b) e (d) rappresentano la percentuale di rilevazioni errate al di fuori di questa finestra (nota come “false alarms” o tasso di falsi allarmi), rispettivamente per gli eventi del 2018 e del 2019. Questa struttura permette di valutare non solo la prevedibilità sub-stagionale degli SSW, ma anche l’affidabilità dei modelli nel distinguere segnali reali da rumore dinamico, considerando la variabilità interna atmosferica catturata dagli ensemble multi-membro e le complessità delle teleconnessioni stratosferico-troposferiche influenzate da pattern climatici come l’Oscillazione El Niño-Southern Oscillation (ENSO) e l’Oscillazione Quasi-Biennale (QBO). Di seguito, un’analisi approfondita di ciascun pannello, arricchita con considerazioni sui limiti modellistici, come la risoluzione stratosferica e la parametrizzazione delle onde planetarie, e le implicazioni per la ricerca climatica.

Pannello (a): Percentuale di Rilevazione Corretta per l’SSW del 2018

• Descrizione Tecnica: Il pannello (a) raffigura la percentuale di membri dell’ensemble, corretti per bias, provenienti da vari sistemi S2S (tra cui ECMWF, NCEP, UKMO, CMA, tra gli altri) che hanno previsto con successo la prima inversione dei venti zonali entro ±3 giorni dal 12 febbraio 2018. L’asse orizzontale rappresenta i giorni di anticipo (lead time, da oltre 30 giorni a 0), mentre l’asse verticale mostra la percentuale di successo (da 0% a 100%), con linee o barre colorate distinte per ciascun sistema di previsione.
• Interpretazione Scientifica: La maggior parte dei sistemi esibisce una percentuale di rilevazione corretta inferiore al 75% fino a un orizzonte temporale di 10-13 giorni di anticipo, riflettendo una prevedibilità limitata per l’SSW del 2018, un evento caratterizzato da un forcing rapido e barotropico di wavenumber-2 (k=2), precondizionato da pattern di blocco troposferico persistente come le alte Aleutine e Urali durante una fase moderata di La Niña (Lee et al., 2019). Sistemi con risoluzione stratosferica inferiore, come quello della China Meteorological Administration (CMA), raggiungono una percentuale significativa solo intorno ai 7 giorni di anticipo, evidenziando difficoltà nella simulazione della propagazione verticale delle onde planetarie quasi-stazionarie e nella cattura della rottura anticiclonica delle onde di Rossby nel Nord Atlantico, che ha limitato l’accuratezza a lead time più lunghi (Karpechko et al., 2018). L’aumento progressivo della percentuale vicino alla data dell’evento suggerisce che i modelli hanno migliorato la loro performance man mano che i segnali precursori, come i flussi di calore meridionale record a 300 hPa e 10 hPa (Figura 3), diventavano più evidenti attraverso l’assimilazione di dati osservativi recenti, ma la natura improvvisa dell’amplificazione k=2 ha imposto vincoli intrinseci alla prevedibilità, coerentemente con ricerche che distinguono la minore prevedibilità degli eventi di divisione rispetto a quelli di spostamento del vortice (Taguchi, 2015, 2018).

Pannello (b): Percentuale di Rilevazione Errata per l’SSW del 2018

• Descrizione Tecnica: Il pannello (b) illustra la percentuale di membri dell’ensemble che hanno previsto l’inversione dei venti zonali al di fuori della finestra ±3 giorni dal 12 febbraio 2018, rappresentando i falsi allarmi. L’asse orizzontale indica i giorni di anticipo, e l’asse verticale la percentuale di falsi allarmi, con linee o barre colorate per ciascun sistema.
• Interpretazione Scientifica: Si rileva un picco pronunciato di falsi allarmi (superiore al 50% in molti sistemi) per inizializzazioni comprese tra il 7 e il 20 gennaio, coincidente con un periodo di intensa attività ondulatoria troposferica superiore da record (Figura 3), durante il quale i modelli hanno reagito in modo prematuro a questi segnali, prevedendo un SSW falso verso la fine di gennaio. Questo comportamento suggerisce una sovrastima della risposta dinamica alla forzatura ondulatoria troposferica, particolarmente in sistemi con parametrizzazioni limitate per le interazioni non lineari tra onde planetarie e lo stato di base stratosferico, portando a errori di tempistica che amplificano l’incertezza previsionale (Karpechko et al., 2018). La riduzione dei falsi allarmi avvicinandosi alla data reale dell’evento riflette una convergenza delle simulazioni grazie a dati osservativi aggiornati, ma evidenzia una sfida sistematica nella distinzione tra segnali precursori autentici e rumore modellistico, influenzata dalla variabilità interna catturata dagli ensemble e dalle teleconnessioni La Niña che hanno intensificato il forcing k=2 (Rao et al., 2018).

Pannello (c): Percentuale di Rilevazione Corretta per l’SSW del 2019

• Descrizione Tecnica: Il pannello (c) raffigura la percentuale di membri dell’ensemble che hanno previsto con successo l’inversione dei venti zonali entro ±3 giorni dal 2 gennaio 2019, con assi simili a (a) e differenziazione per sistema di previsione.
• Interpretazione Scientifica: Sistemi come la Korea Meteorological Administration (KMA), ECMWF e UK Met Office (UKMO) raggiungono una rilevazione corretta fino al 70-80% per previsioni inizializzate a 15-22 giorni di anticipo, dimostrando una prevedibilità estesa per l’SSW del 2019, un evento ibrido caratterizzato da un’amplificazione graduale di wavenumber-1 (k=1) con contributo wavenumber-3 (k=3) durante una fase moderata di El Niño (Rao et al., 2019). Questo successo è attribuibile alla cattura precoce dei segnali precursori k=1 (Figura 3), che hanno fornito pattern dinamici più persistenti e meno sensibili a fluttuazioni non lineari rispetto al 2018, permettendo ai modelli di assimilare meglio le teleconnessioni convettive tropicali. Tuttavia, sistemi come NCEP esibiscono lead time più brevi, con un picco di successo tardivo preceduto da falsi allarmi, indicando una risposta ritardata alla dinamica k=1 e k=3, che ha complicato la simulazione della transizione da spostamento a divisione del vortice e evidenziato limitazioni nella parametrizzazione delle interazioni ondulatorie durante El Niño (Taguchi, 2015).

Pannello (d): Percentuale di Rilevazione Errata per l’SSW del 2019

• Descrizione Tecnica: Il pannello (d) illustra la percentuale di membri dell’ensemble che hanno previsto l’inversione al di fuori della finestra ±3 giorni dal 2 gennaio 2019, con assi e differenziazione simili a (b).
• Interpretazione Scientifica: Si osserva un incremento graduale dei falsi allarmi per inizializzazioni nelle settimane precedenti l’evento, strettamente correlato all’aumento progressivo delle ampiezze k=1 (Figura 3), che ha introdotto incertezze modellistiche, particolarmente evidenti in NCEP dove il picco di falsi allarmi precede quello di successo. Questo pattern suggerisce che i sistemi hanno faticato a bilanciare la tendenza al rafforzamento del vortice con i segnali di destabilizzazione k=1, amplificando gli errori a lead time lunghi e riflettendo limitazioni nella rappresentazione delle teleconnessioni El Niño, che favoriscono forcing graduali ma complessi (Rao et al., 2019). La riduzione dei falsi allarmi avvicinandosi alla data reale indica una convergenza delle previsioni con l’integrazione di dati osservativi, ma sottolinea la sfida di catturare la componente k=3, che ha contribuito alla divisione finale e ha influenzato l’accuratezza temporale delle simulazioni (Shi et al., 2017).

Implicazioni Scientifiche Complessive e Contestualizzazione

La Figura 7 sottolinea le differenze di prevedibilità tra gli SSW del 2018 e del 2019, attribuibili alla natura dei forcing ondulatori (k=2 rapido e barotropico nel 2018 vs. k=1 graduale e baroclino con k=3 nel 2019) e ai limiti intrinseci dei modelli S2S, come la risoluzione stratosferica e la parametrizzazione delle onde planetarie, che influenzano la cattura delle teleconnessioni ENSO e QBO (Vitart et al., 2017). La correzione dei bias ha migliorato l’affidabilità, ma sistemi come CMA (bias verso vortice forte) e NCEP (bias verso vortice debole) evidenziano la necessità di affinamenti modellistici per ridurre falsi allarmi e sovrastime. Questi risultati sono in accordo con ricerche sulla variabilità della prevedibilità degli SSW, che distinguono eventi di divisione da quelli di spostamento, e sottolineano l’importanza di integrare ensemble ibridi e dati assimilati per migliorare le forecast sub-stagionali, con applicazioni per la mitigazione di impatti meteorologici estremi come ondate di freddo e variazioni nelle traiettorie delle tempeste (Tripathi et al., 2014; Domeisen et al., 2020b).

Figura 8: Previsioni della Geometria del Vortice Polare Stratosferico dal Modello NCEP CFSv2

La Figura 8, basata sui dati del modello Climate Forecast System version 2 (CFSv2) del National Centers for Environmental Prediction (NCEP) e sulla rianalisi ERA-Interim, presenta un’analisi della prevedibilità sub-stagionale della geometria del vortice polare stratosferico a 10 hPa durante gli eventi di riscaldamento stratosferico improvviso (Sudden Stratospheric Warmings, SSW) del 12 febbraio 2018 e del 2 gennaio 2019. La figura utilizza diagrammi “chiclet” (matrici colorate) per visualizzare le previsioni medie dell’ensemble CFSv2, con l’asse orizzontale che rappresenta la data di inizializzazione (launch date) e l’asse verticale il giorno di previsione (forecast day), in modo che le colonne verticali allineino i tempi di validazione. I pannelli (a) e (b) mostrano la latitudine del centroide del vortice (un indicatore di spostamento, con valori <66°N che denotano un vortice “displaced”), mentre i pannelli (c) e (d) illustrano il rapporto d’aspetto (aspect ratio, un parametro di elongazione, con valori >2,4 che indicano un vortice “split”). La linea nera in basso riporta i valori osservati da ERA-Interim per ciascun giorno, mentre le “x” indicano i punti in cui un algoritmo di segmentazione regionale ha rilevato più di una regione distinta del vortice (split) nelle osservazioni o in più della metà dei membri dell’ensemble CFSv2 (Lawrence e Manney, 2018). Questa rappresentazione, simile a quella di Seviour et al. (2013), consente di valutare come il modello catturi l’evoluzione morfologica del vortice, influenzata da forcing ondulatori troposferici e teleconnessioni climatiche come l’Oscillazione El Niño-Southern Oscillation (ENSO). Di seguito, un’analisi dettagliata di ciascun pannello, arricchita con interpretazioni dinamiche e implicazioni per la prevedibilità.

Pannello (a): Latitudine del Centroide per l’SSW del 2018

• Descrizione Tecnica: Il pannello (a) mostra le previsioni CFSv2 della latitudine del centroide del vortice a 10 hPa per l’inverno 2017-2018, con ombreggiatura colorata che rappresenta valori da 45°N (rosso, spostamento equatoriale estremo) a 90°N (blu, posizione polare stabile). La linea nera in basso riporta i valori osservati da ERA-Interim, e le “x” indicano detection di split.
• Interpretazione Scientifica: Durante l’inverno 2018, per lead time superiori a circa 20 giorni, il CFSv2 prevede sistematicamente un vortice spostato verso latitudini vicine o inferiori a 66°N entro inizio febbraio, ma con una tendenza a sottostimare la posizione osservata, che rimane polare fino alla divisione rapida del 12 febbraio. Solo per inizializzazioni inferiori a 10-14 giorni il modello cattura con maggiore accuratezza la latitudine centrale, riflettendo una sensibilità limitata ai segnali precursori troposferici come il blocco Aleutine/Urali durante La Niña, che ha amplificato wavenumber-2 (k=2) in modo improvviso (Lee et al., 2019). Le “x” nelle colonne di validazione indicano che il modello ha rilevato split solo a lead time brevi, suggerendo una difficoltà nel simulare la transizione morfologica, potenzialmente dovuta a limitazioni nella rappresentazione delle interazioni non lineari tra onde planetarie e lo stato di base stratosferico (Seviour et al., 2013).

Pannello (b): Latitudine del Centroide per l’SSW del 2019

• Descrizione Tecnica: Simile al pannello (a), ma per l’inverno 2018-2019, con ombreggiatura che rappresenta la latitudine del centroide, linea nera per le osservazioni ERA-Interim e “x” per detection di split.
• Interpretazione Scientifica: Il CFSv2 prevede con consistenza uno spostamento del vortice verso latitudini <70°N entro metà dicembre 2018, con accuratezza mantenuta fino a 20 giorni di anticipo, riflettendo la natura graduale dell’amplificazione wavenumber-1 (k=1) durante El Niño, che ha fornito segnali precursori persistenti come la bassa Aleutine (Rao et al., 2019). Tuttavia, il modello tende a sovrastimare lo spostamento per lead time di 5-20 giorni, prevedendo un evento di “displacement” invece della divisione osservata, con le “x” che confermano la rilevazione di split solo a lead time inferiori a una settimana. Questa discrepanza suggerisce una sfida nel catturare il contributo wavenumber-3 (k=3) nei giorni finali, che ha complicato la simulazione della frammentazione, influenzata da teleconnessioni convettive tropicali e dalla fase orientale della QBO (Shi et al., 2017; Lu et al., 2020).

Pannello (c): Rapporto d’Aspetto per l’SSW del 2018

• Descrizione Tecnica: Il pannello (c) illustra le previsioni CFSv2 del rapporto d’aspetto del vortice a 10 hPa per l’inverno 2017-2018, con ombreggiatura che rappresenta valori da 1,0 (rosso, vortice circolare) a 4,0 (blu, elongazione estrema), linea nera per le osservazioni e “x” per detection di split.
• Interpretazione Scientifica: Il modello prevede un allungamento minimo per lead time superiori a 20 giorni, con valori vicini a 1,5-2,0, sottostimando l’osservato fino a inizializzazioni inferiori a 10 giorni, quando cattura l’elongazione tra 20-25 gennaio (valori >2,4, indicanti split). Questo coincide con un periodo di SSW falso previsto (Figura 7b), suggerendo che il CFSv2 ha reagito prematuramente ai flussi di calore k=2 (Figura 3), ma ha mancato la tempistica reale della divisione, probabilmente a causa di limitazioni nella parametrizzazione delle interazioni non lineari durante La Niña (Seviour et al., 2013). Le “x” confermano la rilevazione di split solo a lead time brevi, evidenziando una prevedibilità ridotta per la morfologia di divisione rispetto allo spostamento.

Pannello (d): Rapporto d’Aspetto per l’SSW del 2019

• Descrizione Tecnica: Simile al pannello (c), ma per l’inverno 2018-2019, con ombreggiatura per il rapporto d’aspetto, linea nera per le osservazioni e “x” per detection di split.
• Interpretazione Scientifica: Il CFSv2 prevede un rapporto d’aspetto basso (1,5-2,0) per lead time di 5-20 giorni, indicando un evento di spostamento invece della divisione osservata (valori >2,4 tra 28 dicembre 2018 e 2 gennaio 2019), con rilevazione accurata solo per inizializzazioni inferiori a una settimana. Questa sottostima è attribuibile all’incapacità di catturare il picco k=3 a lead time lunghi, che ha contribuito alla frammentazione durante El Niño (Rao et al., 2019), nonostante una buona previsione dello spostamento iniziale k=1. Le “x” limitate a lead time brevi sottolineano una sfida modellistica nella simulazione delle transizioni morfologiche ibride, influenzate da teleconnessioni tropicali e dalla QBO orientale, che ha favorito una propagazione selettiva delle onde (Lu et al., 2020).

Implicazioni Scientifiche Complessive e Contestualizzazione

La Figura 8 evidenzia le differenze di prevedibilità morfologica tra gli SSW del 2018 e del 2019, attribuibili alla natura dei forcing ondulatori (k=2 rapido nel 2018 vs. k=1 graduale con k=3 nel 2019) e ai limiti del CFSv2 nella rappresentazione delle interazioni non lineari. Nel 2018, la prevedibilità è limitata a 10 giorni per entrambi i parametri, riflettendo la rapidità dell’evento La Niña, mentre nel 2019, lo spostamento è previsto con 20 giorni di anticipo, ma la divisione solo a breve termine, influenzata da El Niño. Queste configurazioni sono coerenti con studi sulla geometria del vortice e sottolineano l’importanza di algoritmi di segmentazione per distinguere displacement da split, con applicazioni per migliorare i modelli S2S attraverso una migliore risoluzione stratosferica e integrazione di teleconnessioni climatiche (Seviour et al., 2013; Lawrence e Manney, 2018).

Figura 9: Confronto tra Previsioni S2S e Verifiche della Risposta NAM Post-SSW

La Figura 9, basata sui dati del database Subseasonal to Seasonal (S2S) e sulla rianalisi ERA-Interim (Dee et al., 2011), offre un’analisi comparativa della performance dei modelli numerici nel prevedere la risposta superficiale agli eventi di riscaldamento stratosferico improvviso (Sudden Stratospheric Warmings, SSW) del 12 febbraio 2018 e del 2 gennaio 2019, misurata attraverso l’indice della Modalità Annulare Settentrionale (NAM) a 1000 hPa. L’indice NAM, calcolato come le anomalie deseasonalizzate delle altezze geopotenziali medie su 65-90°N, normalizzate e invertite (valori negativi indicano un vortice indebolito e alta pressione artica, valori positivi un vortice rafforzato), riflette l’impatto dell’accoppiamento stratosfera-troposfera downward sugli schemi di pressione e temperatura superficiale (Gerber e Martineau, 2018). La figura mostra la differenza tra le medie dell’ensemble delle previsioni S2S per la NAM media a 1000 hPa nei 20 giorni successivi agli SSW (10-30 giorni post-evento) e i valori verificati da ERA-Interim, con pannelli distinti per il 2018 (a) e il 2019 (b). I colori indicano la magnitudine della deviazione: grigio per differenze inferiori a 0,5 deviazioni standard (σ), rosso chiaro/blu chiaro per deviazioni tra 0,5 e 1 σ (più negative o positive rispetto alla verifica), e rosso/blu per deviazioni superiori a 1 σ. Una linea rossa verticale segna la data di ciascun SSW, consentendo di contestualizzare l’evoluzione temporale. Di seguito, un’analisi dettagliata di ciascun pannello, arricchita con considerazioni sui meccanismi di accoppiamento e i limiti modellistici, con riferimenti a teleconnessioni climatiche come ENSO e QBO.

Pannello (a): Differenza della NAM per il Periodo 22 Febbraio-14 Marzo 2018

• Descrizione Tecnica: Il pannello (a) illustra la differenza tra le previsioni S2S della NAM media a 1000 hPa per il periodo 22 febbraio-14 marzo 2018 (10-30 giorni dopo l’SSW del 12 febbraio) e i valori osservati da ERA-Interim. L’asse orizzontale rappresenta le date di inizializzazione (launch dates), mentre l’asse verticale indica i giorni di previsione (forecast days) o i periodi di validazione. I colori grigi indicano discrepanze minime (<0,5 σ), mentre tonalità di rosso e blu mostrano deviazioni più significative, con la linea rossa verticale che segna il 12 febbraio.
• Interpretazione Scientifica: La NAM osservata in questo periodo è stata fortemente negativa (-1,23 σ), riflettendo un accoppiamento downward rapido e persistente dell’SSW del 2018, un evento dominato da wavenumber-2 (k=2) durante La Niña, che ha generato un’inversione dei venti zonali di -24 m/s e impatti estremi come il “Beast from the East” in Europa (Lee e Butler, 2019; Greening e Hodgson, 2019). Tuttavia, la maggior parte dei sistemi S2S, specialmente per inizializzazioni di fine gennaio, prevede una NAM più positiva (blu chiaro a blu), sottostimando l’ampiezza negativa osservata, con deviazioni che superano 1 σ in alcuni casi (blu intenso). Sistemi come KMA e UKMO continuano a sottostimare la risposta negativa anche dopo l’SSW, indicando difficoltà nel catturare la persistenza delle anomalie bariche indotta dal blocco Aleutine/Urali e dalle teleconnessioni con l’MJO in fase 8 (Barnes et al., 2019). Le aree grigie vicino alla data dell’evento suggeriscono un miglioramento con lead time brevi, ma la tendenza complessiva evidenzia limiti nella simulazione dell’accoppiamento downward, potenzialmente legati a una sottostima delle interazioni non lineari tra onde planetarie e lo stato di base stratosferico (Domeisen et al., 2020a).

Pannello (b): Differenza della NAM per il Periodo 12 Gennaio-1 Febbraio 2019

• Descrizione Tecnica: Il pannello (b) mostra la differenza tra le previsioni S2S della NAM media a 1000 hPa per il periodo 12 gennaio-1 febbraio 2019 (10-30 giorni dopo l’SSW del 2 gennaio) e i valori ERA-Interim, con la stessa struttura di assi e scala cromatica, e la linea rossa verticale al 2 gennaio.
• Interpretazione Scientifica: La NAM osservata è stata moderatamente negativa (-0,60 σ), coerente con un accoppiamento downward più debole dell’SSW del 2019, un evento ibrido con forzatura wavenumber-1 (k=1) e contributo wavenumber-3 (k=3) durante El Niño, caratterizzato da un’inversione dei venti zonali di -10 m/s (Lee e Butler, 2019). La maggior parte delle previsioni inizializzate prima dell’evento mostra una NAM più positiva (blu chiaro a blu), con deviazioni tra 0,5 e 1 σ, riflettendo una sottostima della risposta negativa, probabilmente dovuta a difficoltà nel simulare l’amplificazione graduale k=1 e il picco k=3 (Rao et al., 2019). ECMWF, con inizializzazioni dal 20 dicembre, mostra aree grigie (<0,5 σ), indicando una verifica accurata e un hit rate elevato (>70%, Figura 7c), grazie a una migliore cattura delle teleconnessioni El Niño. Sistemi come UKMO e NCEP sottostimano la NAM negativa fino dopo l’SSW, mentre CMA alterna previsioni troppo positive prima e troppo negative dopo, suggerendo bias sistematici opposti (vortice forte vs. debole) che complicano la previsione dell’accoppiamento, influenzato dalla fase orientale della QBO (Lu et al., 2020).

Implicazioni Scientifiche Complessive e Contestualizzazione

La Figura 9 evidenzia le discrepanze tra le previsioni S2S e le osservazioni della risposta NAM post-SSW, riflettendo differenze nei forcing ondulatori (k=2 rapido nel 2018 vs. k=1 graduale con k=3 nel 2019) e nelle teleconnessioni climatiche (La Niña vs. El Niño, QBO). Nel 2018, la sottostima della NAM negativa indica limiti nella simulazione dell’accoppiamento downward intenso, mentre nel 2019, la previsione più positiva suggerisce difficoltà nel catturare la dinamica graduale, con ECMWF che eccelle grazie a una migliore rappresentazione delle forzature tropicali. La correzione dei bias ha mitigato alcune discrepanze (Figura S4), ma bias persistenti (CMA forte, NCEP debole) evidenziano la necessità di migliorare la risoluzione stratosferica e la parametrizzazione delle onde planetarie nei modelli S2S (Vitart et al., 2017). Questi risultati sono coerenti con studi sull’accoppiamento stratosfera-troposfera (Baldwin e Thompson, 2009) e sottolineano l’importanza di integrare dati assimilati e teleconnessioni per affinare le forecast degli impatti superficiali, come ondate di freddo e variazioni nei pattern di pressione (Domeisen et al., 2020a).

Figura 10: Analisi degli Errori nelle Previsioni della QBO e della Loro Relazione con gli Errori nel Vortice Polare Stratosferico

La Figura 10, derivata dalle previsioni dei sistemi sub-stagionale e stagionale (S2S) e confrontata con la rianalisi ERA-Interim prodotta dall’European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, fornisce un’analisi approfondita dell’evoluzione dei venti zonali tropicali a 50 hPa (nella banda equatoriale 5°N-5°S) e della relazione tra gli errori modellistici nell’Oscillazione Quasi-Biennale (QBO) e quelli nel vortice polare stratosferico (SPV, definito come i venti zonali medi a 10 hPa e 60°N) per gli eventi di riscaldamento stratosferico improvviso (Sudden Stratospheric Warmings, SSW) del 2018 e 2019. I valori sono mediati su quattro date di inizializzazione coerenti tra i sistemi (18, 25 gennaio, 1, 8 febbraio 2018; 6, 13, 20, 27 dicembre 2018), corretti per bias sistematici calcolati da hindcast storici al fine di allineare le simulazioni modellistiche alle osservazioni reali, riducendo deviazioni artificiali legate a limitazioni numeriche come la risoluzione verticale insufficiente o la parametrizzazione dei processi di trasporto meridionale. Questa figura evidenzia come i bias nelle previsioni della QBO, un fenomeno stratosferico equatoriale caratterizzato da alternanze biennali dei venti zonali che influenzano la propagazione verticale delle onde planetarie attraverso cambiamenti nella linea critica subtropicale, possano propagarsi agli errori nell’SPV, influenzando la prevedibilità degli SSW mediante meccanismi come l’effetto Holton-Tan, che favorisce una maggiore convergenza di momento d’onda nella stratosfera extratropicale durante fasi orientali della QBO (Holton e Tan, 1980; Garfinkel et al., 2018). Di seguito, un’analisi dettagliata di ciascun pannello, arricchita con considerazioni sui processi dinamici atmosferici, le limitazioni modellistiche e le implicazioni per la ricerca climatica.

Pannello (a): Evoluzione dei Venti Zonali Tropicali a 50 hPa Precedenti l’SSW del 2018

• Descrizione Tecnica: Il pannello (a) raffigura le serie temporali dei venti zonali tropicali medi a 50 hPa per i periodi precedenti l’SSW del 12 febbraio 2018, con linee colorate che distinguono i diversi sistemi S2S (ad esempio, CMA in arancione, ECMWF in viola) e una linea nera che rappresenta i valori osservati da ERA-Interim, mediati sulle quattro date di inizializzazione selezionate per coerenza. L’asse orizzontale indica i giorni di previsione (fino a 60 giorni), mentre l’asse verticale mostra i valori dei venti in metri al secondo (positivi per venti occidentali, negativi per orientali).
• Interpretazione Scientifica: Nel 2018, la QBO a 50 hPa era caratterizzata da venti debolmente occidentali, un regime di transizione che tipicamente limita la propagazione verticale delle onde planetarie wavenumber-2 dominanti in questo evento, ma i sistemi S2S degradano rapidamente verso uno stato orientale entro circa 10 giorni di previsione, divergendo significativamente dalla linea nera di ERA-Interim. Questa degradazione accelerata è una limitazione comune dei modelli numerici S2S, che non incorporano una rappresentazione endogena della QBO e tendono a convergere verso venti orientali climatologicamente deboli a causa di deficiienze nella simulazione dei processi di trasporto meridionale e della forzatura ondulatoria equatoriale, inclusi effetti di dissipazione radiativa e convettiva (Butler et al., 2016). Sistemi come la Japan Meteorological Agency (JMA) e l’Environment and Climate Change Canada (ECCC) esibiscono gli errori più pronunciati a orizzonti temporali di 20-30 giorni, suggerendo una persistenza insufficiente delle condizioni tropicali inizializzate, che ha contribuito a bias nelle teleconnessioni extratropicali durante la fase di La Niña, influenzando la prevedibilità dell’SSW guidato da un forcing rapido di wavenumber-2 e limitando l’accuratezza delle simulazioni stratosferiche (Rao et al., 2018; Anstey e Shepherd, 2014).

Pannello (b): Relazione tra Errori nella QBO e Errori nell’SPV per l’SSW del 2018

• Descrizione Tecnica: Il pannello (b) è uno scatterplot che confronta gli errori medi nella QBO (per il periodo 7-11 febbraio, asse orizzontale in metri al secondo) con gli errori nell’SPV (per il periodo 12-16 febbraio, asse verticale in metri al secondo), per le quattro date di inizializzazione (punti colorati: blu per 18 gennaio, verde per 25 gennaio, arancione per 1 febbraio, rosso per 8 febbraio). La correlazione complessiva è riportata come r=-0,31 (significativa al 95% mediante test di bootstrap con 10.000 ripetizioni), con correlazioni specifiche per singola data indicate nella legenda.
• Interpretazione Scientifica: La correlazione complessiva negativa suggerisce che errori nella QBO più orientali (valori negativi sull’asse orizzontale) sono associati a errori nell’SPV più occidentali (valori positivi sull’asse verticale, indicando un vortice troppo forte nelle previsioni), un risultato apparentemente contrario alle aspettative dell’effetto Holton-Tan, che prevede un indebolimento del vortice (SPV orientale) in presenza di una QBO orientale attraverso una spostamento equatoriale della linea critica subtropicale, favorendo una maggiore rottura delle onde planetarie (White et al., 2015). Tuttavia, questa relazione è dominata dalla riduzione progressiva degli errori a lead time più brevi (punti rossi, r=-0,37), dove la memoria delle condizioni inizializzate prevale sulle deviazioni modellistiche, mentre per la data più precoce (18 gennaio, r=0,32 positiva), sistemi come JMA ed ECCC con errori QBO orientali mostrano errori SPV minori (più orientali), allineandosi con il meccanismo Holton-Tan per previsioni a lungo termine (>3 settimane). Questo pattern evidenzia come i bias modellistici nella QBO, legati a una degradazione verso stati orientali deboli, possano propagarsi agli errori nell’SPV attraverso una modulazione errata della convergenza di momento d’onda nella stratosfera extratropicale, con implicazioni per la prevedibilità durante fasi occidentali deboli come nel 2018, influenzate da teleconnessioni La Niña (Garfinkel et al., 2018; Anstey e Shepherd, 2014).

Pannello (c): Evoluzione dei Venti Zonali Tropicali a 50 hPa Precedenti l’SSW del 2019

• Descrizione Tecnica: Simile al pannello (a), ma per i periodi precedenti l’SSW del 2 gennaio 2019, con linee colorate per i sistemi S2S e nera per ERA-Interim, mediati sulle quattro date di inizializzazione.
• Interpretazione Scientifica: Nel 2019, la QBO a 50 hPa era prevalentemente orientale ma in rapida transizione verso uno stato neutrale, con venti occidentali che discendevano dagli strati superiori, un regime che tipicamente favorisce una maggiore propagazione di onde wavenumber-1, come osservato in questo evento ibrido durante El Niño (Lu et al., 2020). I sistemi S2S degradano i venti orientali inizializzati più rapidamente delle osservazioni, risultando in venti troppo occidentali per la maggior parte dei modelli, eccetto NCEP che mostra un bias orientale persistente a tutti i tempi di previsione. Il sistema UKMO esibisce gli errori minori a orizzonti di 10-30 giorni, indicando una migliore capacità di mantenere le condizioni tropicali, mentre JMA registra gli errori più significativi a 20-30 giorni, potenzialmente legati a limitazioni nella rappresentazione dei processi di dissipazione ondulatoria e di trasporto verticale. Questa degradazione accelerata limita la simulazione del ruolo della QBO orientale nel promuovere una maggiore rottura delle onde planetarie, influenzando la prevedibilità dell’SSW del 2019 e la sua evoluzione più graduale rispetto al 2018 (Rao et al., 2019; Butler et al., 2016).

Pannello (d): Relazione tra Errori nella QBO e Errori nell’SPV per l’SSW del 2019

• Descrizione Tecnica: Analogo al pannello (b), ma per errori nella QBO (28 dicembre-1 gennaio) vs. errori nell’SPV (2-6 gennaio), con correlazione complessiva r=0,39 (significativa) e per singola data.
• Interpretazione Scientifica: La correlazione positiva complessiva suggerisce che errori nella QBO più occidentali (valori positivi sull’asse orizzontale) sono associati a errori nell’SPV più occidentali (vortice troppo forte), ma per la data più precoce (6 dicembre, r=0,21 positiva), sistemi come NCEP e UKMO con errori QBO orientali mostrano errori SPV minori (più orientali), allineandosi con l’effetto Holton-Tan per lead time lunghi (>3 settimane), dove una QBO orientale favorisce un indebolimento maggiore del vortice attraverso una convergenza accentuata di momento d’onda (White et al., 2015). La dominanza della riduzione degli errori a lead time brevi (punti rossi, r=0,10) evidenzia come i bias modellistici nella QBO, legati a una degradazione troppo rapida durante fasi orientali, possano propagarsi agli errori nell’SPV, influenzando la simulazione dell’evento del 2019 durante El Niño e limitando l’accuratezza a orizzonti estesi (Garfinkel et al., 2018; Anstey e Shepherd, 2014).

Implicazioni Scientifiche Complessive e Contestualizzazione

La Figura 10 sottolinea come i bias nelle previsioni QBO influenzino l’accuratezza delle simulazioni SPV, con una relazione Holton-Tan evidente a lead time lunghi (>3 settimane), dove errori QBO orientali correlano con indebolimenti SPV maggiori, coerentemente con una maggiore rottura delle onde planetarie in fasi QBO orientali. Le differenze tra 2018 (degradazione verso orientale) e 2019 (verso occidentale) riflettono limitazioni modellistiche nella persistenza della QBO, influenzando la prevedibilità degli SSW durante fasi ENSO opposte. Questi risultati sono in accordo con studi sulle teleconnessioni QBO-SSW e sottolineano l’importanza di migliorare la rappresentazione della QBO endogena nei modelli S2S per affinare le forecast stratosferiche, con applicazioni per la mitigazione di impatti superficiali.

Figura 11: Relazione tra Errori nelle Previsioni dell’MJO e Errori nel Vortice Polare e nella NAM

La Figura 11, basata sui dati del database Subseasonal to Seasonal (S2S) e confrontata con la rianalisi ERA-Interim (Dee et al., 2011), analizza la relazione tra gli errori nelle previsioni dell’Oscillazione Madden-Julian (MJO) e gli errori nelle simulazioni del vortice polare stratosferico (SPV, misurato come venti zonali medi a 10 hPa e 60°N) e dell’indice della Modalità Annulare Settentrionale (NAM) a 1000 hPa per gli eventi di riscaldamento stratosferico improvviso (Sudden Stratospheric Warmings, SSW) del 12 febbraio 2018 e del 2 gennaio 2019. La figura utilizza scatterplot per confrontare l’errore quadratico medio bivariato (RMSE) medio delle previsioni MJO nei 5 giorni precedenti ciascun SSW (7-11 febbraio 2018, con eccezioni per l’8 febbraio dove si considera 8-11 febbraio eccetto ECCC 9-11 febbraio; 28 dicembre-1 gennaio 2019) con gli errori nell’SPV 5 giorni dopo l’SSW (pannelli a, c) e nella NAM a 1000 hPa nei 10-30 giorni successivi (pannelli b, d, come in Figura 9). I valori sono mediati su ensemble multi-modello (201 membri per SPV, 75 per NAM), corretti per bias da hindcast per allineare le simulazioni alle osservazioni, e le correlazioni sono testate per significatività al 95% con un metodo di bootstrap basato su 10.000 ripetizioni, con un asterisco che indica risultati statistici robusti. Questa analisi esplora come le limitazioni nella rappresentazione dell’MJO, un pattern convettivo tropicale che genera treni d’onda propaganti verso i poli, possano influenzare la prevedibilità stratosferica e gli impatti superficiali, considerando teleconnessioni come quelle descritte da Garfinkel et al. (2012a) e Kang e Tziperman (2017). Di seguito, un’analisi dettagliata di ciascun pannello, arricchita con interpretazioni dinamiche e implicazioni modellistiche.

Pannello (a): Relazione tra RMSE MJO e Errore SPV per l’SSW del 2018

• Descrizione Tecnica: Il pannello (a) è uno scatterplot che confronta l’RMSE medio bivariato delle previsioni MJO per il periodo 7-11 febbraio 2018 (con adattamenti per l’8 febbraio) sull’asse orizzontale con l’errore nei venti zonali medi a 10 hPa e 60°N (SPV) per il periodo 12-16 febbraio sull’asse verticale, per le quattro date di inizializzazione (punti colorati). La correlazione complessiva è r=0,12 (non significativa), con valori specifici per singola data.
• Interpretazione Scientifica: La relazione tra l’errore MJO e l’errore SPV appare generalmente debole, con una dispersione dei punti che suggerisce poca dipendenza diretta tra la precisione della previsione MJO e quella dell’SPV post-SSW. Questa mancanza di correlazione potrebbe derivare dalla sottostima sistematica dell’ampiezza dell’MJO e dalla sua propagazione verso est più lenta nei modelli S2S, limitando la capacità di catturare le teleconnessioni extratropicali che amplificano i flussi di calore meridionale verso la stratosfera (Vitart, 2017; Lim et al., 2018). Per date di inizializzazione vicine all’SSW (ad esempio, 8 febbraio), si nota una correlazione positiva più forte (r=0,45 significativa), indicando che modelli con un RMSE MJO ridotto, come ECMWF, hanno previsto meglio l’indebolimento dell’SPV, ma questa relazione potrebbe non essere causale, riflettendo una qualità generale delle previsioni a breve termine piuttosto che un legame diretto tra MJO e SPV (Kang e Tziperman, 2017). La correzione dei bias ha mitigato alcune discrepanze, ma i limiti nella simulazione delle fasi attive dell’MJO (5-7) hanno influito sulla prevedibilità dell’evento k=2 dominato da La Niña (Garfinkel et al., 2014).

Pannello (b): Relazione tra RMSE MJO e Errore NAM per l’SSW del 2018

• Descrizione Tecnica: Il pannello (b) confronta l’RMSE MJO per il periodo 7-11 febbraio 2018 sull’asse orizzontale con l’errore nella NAM a 1000 hPa per il periodo 22 febbraio-14 marzo 2018 (10-30 giorni post-SSW, come in Figura 9) sull’asse verticale, limitato a 4 sistemi (CMA, ECMWF, NCEP, UKMO) con ensemble sufficienti (75 membri). La correlazione complessiva è r=-0,18 (non significativa), con valori per singola data.
• Interpretazione Scientifica: La correlazione complessiva è debole, con una dispersione che indica che l’errore NAM non si riduce consistentemente con un RMSE MJO più basso. Per inizializzazioni del 29 gennaio e 5 febbraio, si osserva una correlazione negativa significativa (r=-0,62), dove sistemi come ECMWF e UKMO, nonostante un RMSE MJO basso, hanno previsto una NAM troppo positiva (0,5-1 σ sopra la verifica), sottostimando la risposta negativa osservata (-1,23 σ) legata al blocco nord-atlantico post-SSW (Figura 9). Solo per l’8 febbraio, un RMSE MJO inferiore è associato a un errore NAM ridotto, suggerendo che l’MJO in fase 8 potrebbe aver contribuito a indurre la NAM negativa una volta avvenuto l’SSW, attraverso teleconnessioni che amplificano le anomalie bariche superficiali (Lin et al., 2009; Barnes et al., 2019). Questo indica che la precisione dell’MJO non garantisce una previsione accurata della NAM, complicata da interazioni non lineari e dalla variabilità interna dell’atmosfera.

Pannello (c): Relazione tra RMSE MJO e Errore SPV per l’SSW del 2019

• Descrizione Tecnica: Simile al pannello (a), ma per RMSE MJO nel periodo 28 dicembre-1 gennaio 2019 vs. errore SPV per il 2-6 gennaio 2019, con correlazione complessiva r=0,09 (non significativa).
• Interpretazione Scientifica: Anche qui, la relazione tra RMSE MJO e errore SPV è generalmente debole, con una dispersione che riflette la difficoltà dei modelli S2S nel collegare la variabilità tropicale alla dinamica stratosferica. La sottostima dell’ampiezza MJO e la sua propagazione lenta (Lim et al., 2018) potrebbero aver limitato la cattura delle teleconnessioni che amplificano wavenumber-1 e wavenumber-3 durante El Niño (Rao et al., 2019). La mancanza di correlazioni significative suggerisce che il ritardo tipico di 10-20 giorni tra la forzatura MJO e gli impatti stratosferici non è stato adeguatamente rappresentato, con implicazioni per la previsibilità dell’evento ibrido del 2019 (Kang e Tziperman, 2017). La correzione dei bias ha ridotto alcune discrepanze, ma la complessità delle interazioni ondulatorie ha influenzato la robustezza della relazione.

Pannello (d): Relazione tra RMSE MJO e Errore NAM per l’SSW del 2019

• Descrizione Tecnica: Simile al pannello (b), ma per RMSE MJO nel periodo 28 dicembre-1 gennaio 2019 vs. errore NAM per il 12 gennaio-1 febbraio 2019, con correlazione complessiva r=-0,14 (non significativa).
• Interpretazione Scientifica: La correlazione è debole e non significativa, con una dispersione che indica scarsa dipendenza tra l’errore MJO e quello NAM. Solo per il 27 dicembre si osserva una correlazione negativa lieve (r=-0,33), ma non significativa, suggerendo che la rapidità del decadimento dell’MJO da fasi 5-6 a neutre ha limitato il suo impatto sulla risposta superficiale (-0,60 σ osservata). Sistemi come ECMWF mostrano una verifica accurata (Figura 9), ma la mancanza di una relazione robusta evidenzia che la precisione dell’MJO non influenza direttamente la NAM post-SSW, complicata da interazioni troposferiche e dalla fase orientale della QBO che modula selettivamente le teleconnessioni (Lu et al., 2020; Domeisen et al., 2020a).

Implicazioni Scientifiche Complessive e Contestualizzazione

La Figura 11 rivela una relazione generalmente debole tra gli errori MJO e quelli SPV/NAM, attribuita alla sottostima dell’ampiezza MJO e ai ritardi non catturati nei modelli S2S, che limitano la rappresentazione delle teleconnessioni tropicali-extratropicali (Vitart, 2017; Kang e Tziperman, 2017). Nel 2018, correlazioni significative a breve termine suggeriscono un ruolo dell’MJO in fase 8 nell’amplificare la NAM negativa, mentre nel 2019 l’assenza di relazioni robuste riflette la dinamica graduale e il decadimento rapido dell’MJO. Questi risultati sono coerenti con studi sulle interazioni MJO-SSW e sottolineano l’esigenza di migliorare la parametrizzazione delle fasi attive dell’MJO e l’integrazione di ritardi temporali nei modelli per affinare le forecast degli impatti stratosferici e superficiali (Garfinkel et al., 2014; Domeisen et al., 2020b).

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