by Amy H. Butler, Dian J. Seidel, Steven C. Hardiman,
Neal ButCHArt, ThomAS Birner, and Aaron MatCH
I riscaldamenti stratosferici improvvisi, comunemente indicati con l’acronimo SSW dall’inglese Sudden Stratospheric Warmings, costituiscono una delle manifestazioni più intense e spettacolari della variabilità dinamica dell’atmosfera terrestre e rappresentano, al tempo stesso, uno dei migliori esempi di interazione tra troposfera, stratosfera e clima superficiale. Lo studio di Butler et al. (2015), Defining Sudden Stratospheric Warmings, assume una particolare rilevanza proprio perché affronta un problema apparentemente semplice ma in realtà fondamentale: cosa debba essere definito, in maniera rigorosa e universalmente condivisa, come un vero riscaldamento stratosferico improvviso. A oltre sessant’anni dalle prime osservazioni di questi fenomeni, gli autori mostrarono infatti come la comunità scientifica continuasse a utilizzare criteri non completamente uniformi, con conseguenze importanti per la climatologia degli SSW, il confronto tra modelli climatici, l’analisi delle tendenze e persino la valutazione delle capacità previsionali. Il lavoro pubblicato sul Bulletin of the American Meteorological Society evidenzia come la definizione storica abbia subito diverse reinterpretazioni e come una standardizzazione sia indispensabile quando gli SSW vengono utilizzati come indicatori quantitativi della variabilità della stratosfera polare.
Dal punto di vista fisico, un SSW è associato a una profonda perturbazione della normale circolazione della stratosfera polare invernale. Durante l’inverno boreale, l’assenza della radiazione solare alle alte latitudini determina un intenso raffreddamento radiativo della stratosfera polare e la formazione di un marcato gradiente termico tra le regioni polari e le latitudini inferiori. In accordo con l’equilibrio dinamico dell’atmosfera, questo gradiente termico sostiene una forte circolazione occidentale che circonda il Polo: il vortice polare stratosferico. In condizioni relativamente indisturbate, il vortice costituisce una vasta struttura ciclonica caratterizzata da temperature molto basse e forti venti occidentali. Durante un SSW maggiore, questa configurazione può essere radicalmente alterata nel giro di pochi giorni: la temperatura della stratosfera polare può aumentare di oltre 30–40 K, il vortice può indebolirsi drasticamente, deformarsi, spostarsi dal Polo oppure dividersi in più strutture distinte e, nei casi che soddisfano la definizione dinamica di SSW maggiore, i venti zonali occidentali della stratosfera possono invertire la loro direzione diventando orientali. Butler et al. sottolineano proprio come questa inversione della circolazione costituisca uno degli elementi più robusti per identificare gli eventi maggiori.
L’origine degli SSW non deve essere interpretata come un improvviso riscaldamento radiativo della stratosfera. Il processo è essenzialmente dinamico e deriva dall’interazione tra le onde atmosferiche di scala planetaria e la circolazione zonale media. Le grandi onde di Rossby generate nella troposfera possono propagarsi verticalmente verso la stratosfera quando la struttura dei venti atmosferici consente tale propagazione. Orografia, contrasti termici terra-oceano, distribuzione delle temperature superficiali e configurazione delle grandi strutture meteorologiche troposferiche possono contribuire alla generazione e all’amplificazione di queste onde. Quando un intenso flusso di attività ondulatoria raggiunge la stratosfera, le onde possono amplificarsi e infine rompersi, trasferendo quantità di moto alla circolazione media. Il risultato è una marcata decelerazione dei venti occidentali del vortice polare. La conseguente riorganizzazione della circolazione meridiana determina una maggiore discesa dell’aria nella stratosfera polare; comprimendosi durante la discesa, l’aria si riscalda adiabaticamente, producendo il rapido incremento termico che dà il nome all’evento. Questa interpretazione dinamica affonda le proprie radici nei lavori fondamentali di Charney e Drazin e di Matsuno e rimane alla base della moderna comprensione degli SSW. Butler et al. evidenziano inoltre come proprio la relazione tra propagazione delle onde planetarie e inversione della circolazione renda particolarmente significativa una definizione basata sul vento stratosferico.
Una parte centrale del problema affrontato da Butler et al. riguarda l’evoluzione storica della definizione. Dopo la scoperta dei riscaldamenti stratosferici negli anni Cinquanta, la World Meteorological Organization sviluppò progressivamente criteri destinati a distinguere gli eventi maggiori da quelli minori. Nelle formulazioni storiche assumeva particolare importanza l’inversione del gradiente meridionale di temperatura nella stratosfera e, per gli eventi maggiori, l’inversione della circolazione zonale alle alte latitudini. Con il passare dei decenni, tuttavia, la letteratura scientifica adottò versioni leggermente differenti di questi criteri. Alcuni studi considerarono determinate latitudini, altri livelli di pressione differenti, altri ancora introdussero criteri sulla durata dell’inversione dei venti o sulla separazione temporale necessaria affinché due episodi potessero essere considerati eventi indipendenti. La disponibilità di osservazioni satellitari, rianalisi atmosferiche globali e modelli numerici sempre più sofisticati rese progressivamente evidente che piccole differenze metodologiche potevano determinare differenze nel numero di SSW identificati.
Un contributo fondamentale verso una metodologia più oggettiva era stato fornito da Charlton e Polvani (2007), che proposero di identificare i grandi riscaldamenti stratosferici invernali principalmente attraverso l’inversione del vento zonale medio a 60°N e 10 hPa. Questo criterio, relativamente semplice e facilmente applicabile sia alle rianalisi sia ai modelli climatici, ha acquisito un’importanza enorme nella letteratura successiva. Utilizzando tale approccio, Charlton e Polvani stimarono una frequenza climatologica di circa sei grandi SSW per decennio nell’Emisfero Settentrionale e mostrarono inoltre che una parte considerevole degli eventi era associata alla divisione del vortice polare, mentre gli altri erano prevalentemente caratterizzati dal suo spostamento rispetto al Polo. La distinzione tra vortex displacement e vortex split è divenuta uno degli aspetti più utilizzati nella classificazione morfologica degli SSW.
Negli eventi di tipo displacement, il vortice polare mantiene generalmente una struttura principale relativamente coerente, ma viene fortemente deformato e spostato lontano dal Polo geografico, spesso in associazione a una forte componente dell’onda planetaria di numero d’onda uno. Negli eventi di tipo split, invece, la struttura del vortice subisce una frammentazione molto più radicale e può dividersi in due vortici principali, configurazione frequentemente associata a un’intensa attività dell’onda planetaria di numero d’onda due. Questa distinzione non deve essere considerata rigidamente dicotomica: l’atmosfera possiede una variabilità continua e alcuni eventi possono mostrare caratteristiche intermedie o evolvere da una configurazione all’altra. È proprio questo carattere continuo della dinamica atmosferica che rende problematica la ricerca di una soglia universale capace di separare perfettamente gli SSW dagli episodi molto intensi ma leggermente inferiori ai criteri prestabiliti.
Il problema venne riesaminato quantitativamente da Butler et al. (2018) nello studio Optimizing the Definition of a Sudden Stratospheric Warming. Grazie alla disponibilità di un periodo osservativo satellitare molto più completo rispetto a quello esistente quando furono formulate le definizioni originali, gli autori poterono valutare sistematicamente l’influenza della latitudine, del livello atmosferico e della soglia del vento utilizzati per identificare gli SSW. I risultati mostrarono che non esiste una soglia fisicamente perfetta capace di separare in maniera assoluta gli eventi dal resto della variabilità stratosferica, perché il comportamento del vortice polare costituisce sostanzialmente un continuum. Tuttavia, venne individuato un intervallo relativamente ristretto di criteri che forniscono risultati robusti; significativamente, il tradizionale riferimento a 60°N e 10 hPa ricade all’interno di questo intervallo. Ciò conferma che la convenzione utilizzata diffusamente nella letteratura possiede un solido valore pratico, pur non rappresentando una soglia dinamica assoluta della natura.
La necessità di una definizione standard diventa particolarmente evidente quando si confrontano osservazioni, rianalisi e modelli climatici. Se due gruppi di ricerca utilizzano criteri diversi, la frequenza degli SSW ottenuta può differire anche quando vengono analizzati gli stessi dati. Ciò può portare a conclusioni apparentemente contrastanti sulle capacità dei modelli di simulare correttamente la stratosfera polare oppure sulle eventuali variazioni della frequenza degli eventi in risposta al cambiamento climatico. La standardizzazione non significa necessariamente sostenere che esista un’unica definizione adatta a qualunque problema scientifico. Determinati studi possono legittimamente richiedere indicatori diversi, per esempio quando l’obiettivo consiste nell’analizzare eventi estremi di temperatura, la geometria del vortice, l’attività ondulatoria o l’accoppiamento con la troposfera. Tuttavia, quando gli SSW vengono utilizzati come metrica climatologica o per confrontare differenti modelli, un criterio comune diventa essenziale per garantire la riproducibilità dei risultati.
La successiva costruzione di un vero e proprio Sudden Stratospheric Warming Compendium da parte di Butler et al. (2017) rappresenta una naturale prosecuzione di questo processo. Utilizzando sei differenti prodotti di rianalisi, gli autori realizzarono un database sistematico degli SSW maggiori, comprendente campi atmosferici giornalieri, anomalie e altre variabili utili a ricostruire l’evoluzione di ciascun episodio. Tale lavoro permette non soltanto di confrontare la rappresentazione degli eventi tra differenti rianalisi, ma anche di investigare quanto grande sia la diversità dinamica esistente da un SSW all’altro. Questa variabilità evento per evento è fondamentale per comprendere perché alcuni riscaldamenti producano importanti conseguenze meteorologiche nelle settimane successive, mentre altri abbiano un’influenza troposferica molto meno evidente.
Uno degli aspetti che ha maggiormente accresciuto l’interesse per gli SSW è infatti la loro capacità di influenzare la troposfera. Il lavoro ormai classico di Baldwin e Dunkerton (2001) mostrò che intense anomalie della circolazione stratosferica possono propagarsi progressivamente verso i livelli inferiori dell’atmosfera. Durante le settimane successive a forti perturbazioni del vortice polare, le anomalie di pressione superficiale tendono statisticamente ad assumere una configurazione simile alla fase negativa dell’Arctic Oscillation e della North Atlantic Oscillation. Questo comportamento può favorire una modifica della posizione e dell’intensità del getto troposferico, della traiettoria delle depressioni extratropicali e della distribuzione delle masse d’aria fredde alle medie latitudini. Baldwin e Dunkerton evidenziarono che il segnale stratosferico può anticipare modificazioni nella distribuzione probabilistica degli estremi della NAO e dell’AO, suggerendo quindi che la stratosfera possa fornire informazioni preziose per la previsione meteorologica su scale temporali più lunghe rispetto alla tradizionale previsione sinottica.
La letteratura più recente ha tuttavia chiarito un punto essenziale: un SSW non implica automaticamente un’ondata di freddo in Europa o in Nord America. La risposta superficiale è probabilistica, non deterministica. Oehrlein et al. (2021), analizzando 39 eventi osservati tra il 1958 e il 2019, hanno mostrato che il segnale medio associato agli SSW nel settore nord-atlantico ed europeo è robusto, ma che la sua ampiezza e la distribuzione geografica possono cambiare notevolmente da un campione di eventi all’altro. Il motivo è che l’evoluzione troposferica successiva dipende non soltanto dall’intensità dello SSW, ma anche dalla struttura spaziale delle anomalie stratosferiche, dallo stato iniziale della troposfera, dall’attività ondulatoria e da altre modalità della variabilità atmosferica. Pertanto, parlare genericamente di “collasso del vortice polare uguale gelo europeo” rappresenta una semplificazione che non trova sostegno nella moderna climatologia dinamica.
La grande revisione di Baldwin et al. (2021) ha ulteriormente consolidato questa visione, descrivendo gli SSW come fenomeni dell’intera atmosfera. Gli effetti di un forte riscaldamento non si limitano infatti alla regione compresa tra la tropopausa e la stratopausa. Le perturbazioni dinamiche possono propagarsi sia verso il basso sia verso l’alto, influenzando la mesosfera e livelli atmosferici ancora superiori. Nella regione polare, il collasso della circolazione stratosferica modifica profondamente il trasporto meridionale, le temperature e la distribuzione di diverse specie chimiche. Nella troposfera, la risposta può comprendere spostamenti dei jet stream e delle storm track e modificazioni della probabilità di episodi freddi alle medie latitudini. Questa dimensione “whole atmosphere” spiega perché gli SSW siano oggi studiati non soltanto in meteorologia dinamica, ma anche nella chimica atmosferica, nella climatologia, nella previsione sub-stagionale e stagionale e nella fisica dell’alta atmosfera.
Particolarmente importante è inoltre la forte asimmetria esistente tra i due emisferi. Gli SSW maggiori sono relativamente comuni nell’Emisfero Settentrionale, mentre risultano eccezionalmente rari nell’Emisfero Australe. La causa fondamentale risiede nelle differenti caratteristiche dinamiche dei due emisferi. L’Emisfero Settentrionale possiede una distribuzione molto più irregolare di continenti, oceani e grandi sistemi montuosi, elementi che favoriscono la generazione di onde planetarie in grado di propagarsi nella stratosfera. L’Emisfero Australe, dominato dall’Oceano Australe alle medie latitudini e caratterizzato da una maggiore simmetria zonale, tende invece a sviluppare un vortice stratosferico invernale più intenso e stabile. Il grande SSW antartico del settembre 2002 rappresenta quindi un evento eccezionale nella climatologia osservata e rimane un caso fondamentale per lo studio della dinamica del vortice australe. La revisione di Baldwin et al. conferma che la quasi totalità degli SSW maggiori osservati si è verificata nell’Emisfero Settentrionale, con quello del 2002 come straordinaria eccezione australe.
Le implicazioni degli SSW riguardano anche la chimica della stratosfera. La temperatura del vortice polare controlla infatti numerosi processi responsabili della formazione delle nubi stratosferiche polari e delle reazioni chimiche che possono favorire la distruzione catalitica dell’ozono. Un riscaldamento improvviso può modificare drasticamente la struttura termica e la circolazione del vortice, alterando il trasporto di ozono e delle specie chimiche coinvolte nella chimica del cloro e del bromo. Per questo motivo gli SSW sono strettamente collegati alla variabilità interannuale dell’ozono polare, soprattutto nell’Artico, dove la forte variabilità dinamica della stratosfera contribuisce alle grandi differenze osservate da un inverno all’altro.
Un ulteriore campo di ricerca riguarda l’interazione degli SSW con ENSO. Il lavoro di Ineson e Scaife (2009) dimostrò l’esistenza di un percorso teleconnettivo attraverso il quale El Niño può influenzare il clima europeo passando per la stratosfera. Le anomalie tropicali associate a ENSO possono modificare la propagazione delle onde planetarie e lo stato del vortice stratosferico; le anomalie così generate possono successivamente influenzare la circolazione nord-atlantica e contribuire alla risposta europea invernale. La stratosfera non deve quindi essere considerata come un livello atmosferico isolato, ma come parte integrante della catena di teleconnessioni che mette in comunicazione il Pacifico tropicale con le medie e alte latitudini dell’Emisfero Settentrionale.
Questa relazione assume particolare importanza per la previsione stagionale. Un segnale tropicale come ENSO può essere relativamente prevedibile con diversi mesi di anticipo; se una parte della sua influenza sull’Europa viene mediata dalla stratosfera, una corretta rappresentazione del vortice polare e degli SSW nei modelli diventa fondamentale per trasformare la prevedibilità tropicale in capacità previsionale extratropicale. Allo stesso tempo, non tutti gli inverni caratterizzati da El Niño producono uno SSW e non tutti gli SSW sono determinati da ENSO. La dinamica dipende dalla sovrapposizione di molteplici fattori, comprendenti la configurazione della troposfera, l’attività delle onde planetarie, la QBO, lo stato del vortice polare e la variabilità interna caotica dell’atmosfera. Questo punto è essenziale quando gli SSW vengono utilizzati per elaborare scenari stagionali: essi modificano le probabilità di determinate configurazioni atmosferiche, ma non consentono di dedurre deterministicamente il tempo meteorologico di una singola regione con molte settimane di anticipo.
La stratosfera possiede comunque caratteristiche che la rendono particolarmente preziosa per la previsione sub-stagionale. La sua evoluzione dinamica è generalmente più lenta rispetto alla troposfera e alcune anomalie del vortice possono persistere per settimane. Domeisen e collaboratori hanno mostrato che i sistemi previsionali possono presentare nella stratosfera una prevedibilità superiore a quella tipicamente disponibile nella troposfera e che i sistemi capaci di rappresentare meglio l’evoluzione stratosferica tendono anche a fornire migliori prestazioni nella previsione troposferica. Gli SSW rimangono eventi particolarmente difficili da prevedere rispetto ad alcune altre configurazioni stratosferiche, ma una volta che un forte disturbo del vortice diventa prevedibile, esso può aprire una finestra di maggiore potenziale predittivo per le settimane successive.
Domeisen e Butler (2020) hanno sottolineato più in generale come la stratosfera rappresenti una sorgente di prevedibilità meteorologica e climatica su scale temporali comprese tra settimane e decenni. Gli SSW sono forse l’espressione più evidente di tale accoppiamento: modificando la circolazione polare, possono influenzare il getto troposferico, le storm track e la distribuzione delle anomalie termiche e pluviometriche. Tuttavia, la capacità di prevedere gli effetti superficiali dipende dall’identificazione dei cosiddetti eventi con efficace propagazione verso il basso, poiché non tutte le perturbazioni stratosferiche riescono a produrre una risposta troposferica persistente.
Alla luce di queste conoscenze, il problema della definizione affrontato da Butler et al. va ben oltre una semplice questione terminologica. Stabilire cosa costituisca un SSW significa costruire una metrica con cui valutare la variabilità del vortice polare, verificare le prestazioni dei modelli, confrontare differenti periodi climatici, analizzare possibili modificazioni future della stratosfera e determinare quanto gli eventi siano prevedibili. Una definizione troppo restrittiva potrebbe escludere perturbazioni dinamicamente rilevanti; una definizione eccessivamente permissiva potrebbe invece includere eventi che non rappresentano un vero collasso della circolazione polare. Per questo motivo la scelta di una soglia deve conciliare significato fisico, semplicità, robustezza statistica e possibilità di applicazione uniforme a osservazioni, rianalisi e simulazioni climatiche.
Gli SSW devono quindi essere interpretati come l’estremo più spettacolare di una variabilità continua del vortice polare stratosferico. Il criterio dell’inversione dei venti zonali medi a 60°N e 10 hPa continua a rappresentare un riferimento estremamente utile per identificare gli eventi maggiori, ma non esaurisce la complessità della dinamica stratosferica. Intensità dell’indebolimento del vortice, durata dell’anomalia, altezza alla quale si verifica la perturbazione, struttura delle onde planetarie, geometria del vortice, propagazione verso il basso e stato della troposfera possono contribuire a determinare gli effetti finali di ciascun episodio. La letteratura sviluppatasi dopo Butler et al. (2015) ha sostanzialmente rafforzato questo concetto: è utile disporre di una definizione standard per la climatologia e il confronto quantitativo, ma è altrettanto importante non confondere la definizione con una descrizione completa del fenomeno.
Lo studio Defining Sudden Stratospheric Warmings rappresenta pertanto un passaggio importante nell’evoluzione della ricerca sulla stratosfera. Dopo decenni nei quali gli SSW erano stati inizialmente studiati come eventi eccezionali della meteorologia dell’alta atmosfera, la ricerca moderna li considera componenti fondamentali del sistema climatico accoppiato. La loro importanza deriva dall’interazione tra onde planetarie e flusso medio, dalla capacità di destabilizzare il vortice polare in pochi giorni, dall’influenza sulla chimica e sul trasporto stratosferico e, soprattutto, dalla possibilità che le anomalie generate a decine di chilometri sopra la superficie terrestre modifichino la circolazione troposferica per diverse settimane. Proprio questa capacità di collegare scale spaziali, verticali e temporali molto differenti rende gli SSW uno degli argomenti più affascinanti della moderna meteorologia dinamica. Comprenderne correttamente la definizione non rappresenta quindi un esercizio puramente classificatorio, ma costituisce il punto di partenza necessario per interpretare il ruolo del vortice polare stratosferico nella variabilità invernale, nelle teleconnessioni climatiche e nella crescente capacità dei sistemi previsionali di spingersi oltre l’orizzonte della meteorologia tradizionale.
Storia delle definizioni dei riscaldamenti stratosferici improvvisi
La storia della definizione dei riscaldamenti stratosferici improvvisi, comunemente indicati con l’acronimo SSW da Sudden Stratospheric Warmings, riflette in modo particolarmente efficace l’evoluzione della meteorologia stratosferica nel corso degli ultimi settant’anni. La progressiva modifica dei criteri utilizzati per identificare questi eventi non rappresenta semplicemente un problema terminologico, ma deriva dall’enorme cambiamento intervenuto nella capacità di osservare, comprendere e modellare la stratosfera. Quando Richard Scherhag individuò all’inizio del 1952 quello che inizialmente definì il “fenomeno di Berlino”, la conoscenza della circolazione stratosferica era ancora relativamente limitata e dipendeva essenzialmente dalle osservazioni radiosondaggistiche disponibili sopra un numero ristretto di stazioni. L’osservazione di un aumento termico straordinariamente rapido alle alte quote rappresentò quindi una vera sorpresa scientifica, perché mostrava che la stratosfera invernale, precedentemente immaginata come una regione relativamente stabile e passiva, poteva invece essere interessata da trasformazioni dinamiche estremamente intense. Da quel momento gli SSW sarebbero progressivamente diventati uno dei fenomeni più studiati dell’interazione tra onde planetarie, vortice polare e circolazione atmosferica globale.
La scoperta di Scherhag precedette di pochi anni una fase di rapido sviluppo delle osservazioni dell’alta atmosfera. Durante gli anni Sessanta la World Meteorological Organization promosse il programma internazionale STRATALERT nell’ambito degli International Years of the Quiet Sun, con l’obiettivo di coordinare le osservazioni della stratosfera e della mesosfera durante gli episodi di forte perturbazione della circolazione polare. Il programma, fortemente associato al lavoro di Karin Labitzke e della Freie Universität Berlin, costituì uno dei primi tentativi sistematici di monitorare in tempo quasi reale l’evoluzione degli SSW. L’utilizzo combinato di radiosonde, rocketsonde e successivamente dati satellitari permise di costruire una climatologia sempre più dettagliata degli eventi, ma rese anche evidente che non tutti i riscaldamenti stratosferici possedevano la stessa intensità o la stessa struttura dinamica. Nacque quindi la necessità di distinguere tra riscaldamenti minori, maggiori, finali e altre configurazioni più particolari, dando origine a una classificazione che si sarebbe progressivamente modificata nei decenni successivi. Butler et al. (2015) hanno ricostruito in dettaglio questa evoluzione storica, sottolineando come non sia semplice individuare una singola formulazione originaria che possa essere considerata senza ambiguità la “definizione WMO” degli SSW.
Le prime definizioni erano fortemente condizionate dall’aspetto più evidente degli eventi, cioè il rapido incremento della temperatura stratosferica. Questo approccio era comprensibile considerando le possibilità osservative dell’epoca: un aumento di alcune decine di gradi nell’arco di pochi giorni rappresentava un segnale relativamente semplice da individuare nei profili verticali delle radiosonde. Con il progredire della ricerca divenne però chiaro che il riscaldamento termico costituisce soltanto una manifestazione di una trasformazione dinamica molto più profonda della circolazione. Il concetto fondamentale emerse attraverso lo sviluppo della teoria dell’interazione tra onde planetarie e flusso zonale medio, alla quale contribuirono in maniera decisiva Charney e Drazin (1961), Matsuno (1971) e numerosi lavori successivi. In questa prospettiva, gli SSW possono essere interpretati come la conseguenza di una forte propagazione verticale delle onde di Rossby dalla troposfera verso la stratosfera, seguita dalla loro dissipazione o rottura e dal conseguente trasferimento di quantità di moto al flusso medio. La circolazione occidentale del vortice polare viene così progressivamente rallentata fino a poter cambiare direzione, mentre la circolazione meridiana associata produce una forte subsidenza dell’aria sopra la regione polare e quindi un marcato riscaldamento adiabatico.
Questo quadro teorico conferì all’inversione dei venti zonali un significato fisico molto più profondo rispetto al semplice aumento della temperatura. Secondo la teoria di Charney e Drazin, infatti, la possibilità delle onde planetarie quasi stazionarie di propagarsi verticalmente dipende criticamente dallo stato del vento zonale. Una volta che durante un grande SSW la circolazione stratosferica passa da occidentale a orientale, la propagazione delle onde verso quote superiori viene fortemente limitata. Il livello al quale avviene la rottura delle onde tende quindi a spostarsi progressivamente verso il basso, contribuendo alla propagazione discendente delle anomalie della circolazione. L’inversione del vento non è pertanto un indicatore arbitrario, ma rappresenta una delle firme dinamiche più importanti della riorganizzazione del vortice polare.
La progressiva importanza attribuita alla dinamica spiega il passaggio dalle prime definizioni prevalentemente termiche alle successive definizioni basate sulla circolazione. Tuttavia, proprio durante questa fase emersero alcune delle ambiguità che Butler et al. (2015) avrebbero successivamente portato all’attenzione della comunità scientifica. Due documenti pubblicati dalla WMO nel 1978, per esempio, descrivevano criteri diversi per identificare un riscaldamento maggiore. Nella formulazione riportata da McInturff, un SSW maggiore richiedeva sia un’inversione del gradiente meridionale della temperatura a partire da 60° di latitudine sia un’inversione della circolazione occidentale nella regione polare. Un altro documento della Commissione per le Scienze Atmosferiche della WMO pubblicato nello stesso anno definiva invece gli eventi maggiori essenzialmente sulla base dell’ampiezza e della rapidità dell’aumento termico, senza menzionare esplicitamente l’inversione della circolazione. Butler et al. hanno evidenziato come questa discrepanza sia emblematica del problema: la letteratura successiva ha spesso utilizzato l’espressione “definizione WMO” pur facendo riferimento a criteri non perfettamente coincidenti.
Nel frattempo, l’ampliamento delle reti osservative e l’avvento dei satelliti permisero di passare da una descrizione locale della stratosfera alla ricostruzione tridimensionale dell’intero vortice polare. Questo cambiamento fu fondamentale. Un SSW non poteva più essere visto esclusivamente come un rapido aumento della temperatura rilevato sopra una determinata stazione, ma doveva essere interpretato come una trasformazione globale della struttura dinamica della stratosfera invernale. I campi di geopotenziale mostrarono chiaramente che durante alcuni eventi il vortice veniva principalmente spostato dal Polo, mentre durante altri veniva deformato fino a dividersi in due vortici distinti. Tali configurazioni sarebbero successivamente state indicate come eventi di tipo displacement e split e collegate rispettivamente, sebbene non in maniera esclusiva, alla predominanza delle componenti di numero d’onda planetario uno e due.
Con il progressivo sviluppo delle rianalisi atmosferiche divenne possibile costruire algoritmi oggettivi applicabili uniformemente a decenni di dati. Un passaggio fondamentale fu rappresentato dal lavoro di Charlton e Polvani (2007), che propose un criterio estremamente semplice per individuare gli SSW maggiori di pieno inverno: l’inversione del vento zonale medio a 60°N e al livello di 10 hPa. Questo approccio riduceva l’identificazione dell’evento a una sola variabile misurata a una determinata latitudine e quota, rendendo il metodo facilmente riproducibile tanto nelle rianalisi quanto nelle simulazioni dei modelli climatici. Utilizzando le rianalisi NCEP–NCAR ed ERA-40, Charlton e Polvani ottennero una frequenza media di circa sei grandi SSW di pieno inverno per decennio e mostrarono che circa il 46% degli eventi identificati conduceva a una divisione del vortice polare. Gli eventi di tipo split risultavano inoltre associati a un più evidente precondizionamento del vortice e ad anomalie termiche della media stratosfera che potevano persistere significativamente più a lungo rispetto agli eventi caratterizzati prevalentemente dallo spostamento del vortice.
Il successo del criterio di Charlton e Polvani derivò soprattutto dalla sua semplicità e riproducibilità. L’utilizzo di 60°N e 10 hPa forniva un indicatore quantitativo immediato dello stato del vortice polare e rendeva possibile confrontare direttamente differenti dataset. Inoltre, gli autori introdussero regole operative precise per risolvere alcuni problemi che le definizioni precedenti lasciavano aperti. Se il vento tornava brevemente occidentale per poi invertirsi nuovamente, per esempio, era necessario stabilire se si fosse verificato un secondo SSW oppure semplicemente una temporanea interruzione del medesimo evento. Analogamente, era necessario distinguere gli SSW di fine inverno dai riscaldamenti finali, nei quali il vortice passa definitivamente alla configurazione estiva senza ristabilire la circolazione occidentale invernale. CP07 stabilirono pertanto che, perché un episodio tardivo fosse classificato come SSW maggiore di pieno inverno, la circolazione occidentale dovesse ricostituirsi per almeno dieci giorni prima della fine di aprile. Questo dettaglio apparentemente tecnico ha notevoli conseguenze climatologiche perché permette di evitare che il naturale collasso stagionale del vortice venga conteggiato come un SSW maggiore.
La distinzione tra riscaldamenti maggiori e riscaldamenti finali è particolarmente importante. Il riscaldamento finale rappresenta infatti una transizione inevitabile della circolazione stratosferica dall’inverno all’estate e si verifica ogni anno, mentre gli SSW maggiori sono eventi intermittenti della variabilità dinamica invernale. Se i final warming fossero inclusi indiscriminatamente nella climatologia degli SSW, la frequenza degli eventi risulterebbe artificialmente aumentata e perderebbe gran parte del proprio significato come misura della variabilità interannuale del vortice polare. Al contrario, la data del riscaldamento finale costituisce essa stessa un’importante variabile climatica, poiché può cambiare notevolmente da un anno all’altro e influenzare la persistenza delle anomalie stratosferiche durante la primavera.
Problemi analoghi interessano i cosiddetti Canadian warmings, eventi tipicamente osservati nella prima parte dell’inverno e caratterizzati da una notevole riorganizzazione del campo geopotenziale, spesso associata allo spostamento dell’alta pressione delle Aleutine. Alcuni sistemi di classificazione li includono tra gli SSW maggiori se soddisfano il criterio dell’inversione del vento, mentre altri autori, tra cui Labitzke, hanno sostenuto che la loro evoluzione sinottica sia sufficientemente distinta da giustificare una categoria separata. Questo esempio dimostra come la definizione di un SSW dipenda inevitabilmente dall’obiettivo dell’analisi. Un algoritmo destinato alla climatologia statistica può privilegiare una soglia semplice e oggettiva, mentre uno studio sulla dinamica dei singoli eventi può richiedere una caratterizzazione più dettagliata della geometria del vortice, delle onde planetarie e della sua evoluzione temporale.
L’avvento delle moderne rianalisi atmosferiche ha inoltre permesso di mettere in luce un problema ulteriore: due definizioni apparentemente simili possono produrre climatologie differenti. Cambiare la latitudine dalla quale viene valutato il vento, utilizzare un livello differente da 10 hPa, richiedere un’inversione su tutta la regione polare invece che su una singola latitudine oppure modificare il criterio utilizzato per separare eventi ravvicinati può cambiare il numero complessivo di SSW identificati. Tale sensibilità è particolarmente importante nei confronti tra modelli climatici. Charlton et al. mostrarono, per esempio, che diversi modelli stratosferici di prima generazione riuscivano a rappresentare in modo realistico le caratteristiche dinamiche degli SSW una volta che questi si verificavano, ma tendevano a produrne troppo pochi rispetto alla climatologia osservata; in alcuni modelli la frequenza risultava compresa soltanto fra circa uno e 2,6 eventi per decennio, rispetto ai circa sei della climatologia di riferimento. Questo tipo di valutazione sarebbe praticamente impossibile senza una definizione uniforme applicata sia alle osservazioni sia alle simulazioni.
Proprio per superare i limiti di una classificazione esclusivamente basata su vento e temperatura, nel corso degli ultimi decenni sono stati proposti numerosi indicatori alternativi. Le funzioni ortogonali empiriche applicate alle anomalie dell’altezza geopotenziale o del vento permettono, per esempio, di descrivere le principali modalità della variabilità del vortice. Gli indici dell’Annular Mode consentono di seguire l’intensità e la propagazione verticale delle anomalie della circolazione. Le anomalie dell’altezza geopotenziale media della calotta polare costituiscono un altro indicatore particolarmente efficace dell’indebolimento del vortice. Altri studi hanno analizzato direttamente la tendenza del vento zonale, piuttosto che la semplice inversione, per identificare la fase di rapida decelerazione dinamica caratteristica degli SSW.
Un’importante linea di ricerca si è inoltre sviluppata attorno alla geometria del vortice polare. Gli strumenti basati sui cosiddetti vortex moments, sviluppati a partire dai lavori di Waugh e Randel e successivamente applicati da Matthewman, Mitchell, Seviour e altri ricercatori, permettono di quantificare proprietà quali area, posizione, elongazione e struttura del vortice attraverso la distribuzione della vorticità potenziale. Questo approccio possiede un significato fisico particolarmente interessante perché il vortice polare non viene ridotto a una singola misura del vento ma viene trattato come una struttura dinamica coerente. È così possibile distinguere oggettivamente un vortice semplicemente spostato dal Polo da uno fortemente elongato o diviso in due strutture distinte.
Parallelamente, tecniche statistiche più avanzate come il k-means clustering e, già nei primi anni Duemiladieci, metodi di apprendimento supervisionato e reti neurali sono stati sperimentati per classificare automaticamente gli stati della stratosfera. Questi approcci anticipavano una tendenza oggi sempre più importante nelle scienze atmosferiche: anziché imporre una singola soglia prestabilita, si cerca di identificare pattern multidimensionali caratteristici degli eventi. Tuttavia, anche diagnostici sofisticati presentano un compromesso. Possono descrivere meglio la struttura fisica degli SSW, ma risultano generalmente meno trasparenti e meno facilmente applicabili a grandi ensemble climatici rispetto a un criterio semplice come il vento zonale a 60°N e 10 hPa.
La questione fondamentale è stata ulteriormente approfondita da Butler e Gerber (2018), che hanno cercato di determinare in modo sistematico se esistesse una combinazione ottimale di latitudine, quota e soglia del vento per definire un grande SSW. Utilizzando la maggiore disponibilità di osservazioni dell’era satellitare, gli autori hanno confrontato la frequenza degli eventi, l’intensità del forcing ondulatorio, le variazioni della temperatura stratosferica, le anomalie della circolazione e gli impatti superficiali al variare dei parametri della definizione. Il risultato è particolarmente significativo: non emerge una soglia fisica unica capace di separare nettamente gli SSW dal resto della variabilità del vortice. La stratosfera presenta infatti un continuum di stati, da vortici eccezionalmente forti a vortici estremamente deboli e invertiti. Esiste tuttavia una fascia relativamente ristretta di soglie che permette di identificare eventi dinamicamente coerenti, e il tradizionale criterio basato su 60° di latitudine e 10 hPa ricade proprio all’interno di questa regione ottimale.
Questa conclusione modifica in parte il modo di interpretare la definizione convenzionale. Il raggiungimento dei venti orientali a 60°N e 10 hPa non rappresenta una sorta di confine fisico assoluto oltre il quale l’atmosfera entra improvvisamente in uno stato completamente diverso. Un evento nel quale il vento raggiunge valori leggermente positivi può essere dinamicamente molto simile a uno nel quale diventa appena negativo. La soglia deve quindi essere intesa soprattutto come uno strumento statistico standardizzato che permette alla comunità scientifica di confrontare gli eventi utilizzando un linguaggio comune. Da questo punto di vista la definizione ha una funzione analoga a molte altre soglie utilizzate in climatologia: serve a rendere riproducibile una classificazione applicata a un fenomeno che, in natura, varia continuamente.
Un altro importante sviluppo è rappresentato dal Sudden Stratospheric Warming Compendium realizzato da Butler, Sjoberg, Seidel e Rosenlof nel 2017. Il progetto ha costruito un database sistematico dei grandi SSW utilizzando sei differenti prodotti di rianalisi e mettendo a disposizione campi giornalieri delle anomalie, campi atmosferici completi e una serie di variabili derivate per ciascun evento. L’importanza del compendio risiede non soltanto nella catalogazione degli SSW, ma nella possibilità di valutare quanto la rappresentazione dei singoli eventi possa dipendere dal sistema di rianalisi utilizzato e di analizzare in maniera uniforme la loro evoluzione tridimensionale e i possibili effetti al suolo. La costruzione di database di questo tipo mostra chiaramente come una definizione standardizzata sia diventata indispensabile nella moderna ricerca atmosferica, nella quale vengono confrontati dataset, modelli e periodi climatici differenti.
L’evoluzione delle definizioni riflette inoltre il crescente interesse per l’accoppiamento tra stratosfera e troposfera. Un criterio basato sul vento a 10 hPa può essere estremamente utile per identificare gli eventi, ma non necessariamente rappresenta l’indicatore migliore per valutare il loro impatto superficiale. Studi basati sulle anomalie dell’altezza geopotenziale o sui modi anulari possono descrivere più direttamente la propagazione discendente delle anomalie. È ormai noto che non tutti gli SSW hanno la stessa capacità di influenzare la troposfera. Alcuni sono seguiti da una marcata e persistente risposta simile alla fase negativa dell’Arctic Oscillation o della NAO, mentre altri producono effetti molto più deboli. Ciò significa che una classificazione utile per contare gli SSW non deve necessariamente essere considerata sufficiente per prevederne le conseguenze meteorologiche.
Questa distinzione è fondamentale anche dal punto di vista operativo. Per valutare se un modello climatico simula correttamente la frequenza degli SSW può essere preferibile utilizzare una metrica semplice, robusta e facilmente riproducibile. Per studiare invece l’origine dinamica di un singolo episodio, può essere più informativo considerare la geometria del vortice, i flussi di calore ed energia associati alle onde planetarie, la vorticità potenziale, la struttura verticale delle anomalie e la loro propagazione verso la troposfera. Non esiste quindi una contraddizione tra l’esigenza di una definizione standard e l’utilizzo di diagnostici più complessi: le due strategie rispondono semplicemente a domande scientifiche differenti.
In questo contesto, l’espressione frequentemente utilizzata “definizione WMO” deve essere trattata con una certa cautela. Butler et al. hanno mostrato che il criterio spesso presentato in letteratura come definizione ufficiale WMO coincide in realtà più da vicino con l’algoritmo modernizzato e semplificato diffuso dopo Charlton e Polvani che non con tutte le caratteristiche delle formulazioni storiche della WMO. La definizione di McInturff, per esempio, comprendeva sia il gradiente termico meridionale sia l’inversione della circolazione nella regione a nord di 60°, mentre il criterio CP07 utilizza essenzialmente l’inversione del vento zonale medio alla singola latitudine di 60°N e a 10 hPa. Le due formulazioni possono frequentemente identificare gli stessi grandi eventi, ma non sono concettualmente identiche.
La storia delle definizioni degli SSW dimostra quindi come la classificazione scientifica di un fenomeno atmosferico possa evolvere insieme alla capacità di osservarlo e comprenderlo. Negli anni Cinquanta il fenomeno appariva soprattutto come un sorprendente riscaldamento della stratosfera. Negli anni Sessanta e Settanta, grazie allo sviluppo della teoria delle onde planetarie e alla crescente disponibilità di osservazioni, divenne evidente che il riscaldamento costituiva la risposta termica di una profonda riorganizzazione dinamica del vortice polare. Successivamente l’avvento dei satelliti, delle rianalisi globali e dei modelli stratosferici rese possibile definire gli eventi attraverso criteri quantitativi e riproducibili. L’era moderna ha infine mostrato che nessuna singola soglia può descrivere integralmente un fenomeno complesso e multidimensionale come un SSW e che è necessario distinguere tra la definizione operativa dell’evento e la descrizione della sua struttura fisica.
Il principale contributo del lavoro di Butler et al. (2015) consiste quindi nell’aver chiarito che il problema non è scegliere arbitrariamente una definizione “giusta” e scartare tutte le altre. La questione consiste piuttosto nello stabilire quale definizione sia più appropriata per l’obiettivo scientifico considerato e, soprattutto, nel garantire l’esistenza di una metrica comune quando devono essere confrontati dataset e modelli differenti. Per le applicazioni climatologiche, la definizione basata sull’inversione del vento zonale medio stratosferico continua a offrire vantaggi decisivi in termini di semplicità, oggettività e riproducibilità. Per analizzare invece l’accoppiamento stratosfera-troposfera, la morfologia del vortice o la prevedibilità degli impatti superficiali, devono essere considerate informazioni aggiuntive.
La prospettiva storica consente infine di comprendere perché la definizione degli SSW continui a essere scientificamente importante. Una variazione apparentemente minima nel criterio utilizzato può modificare la frequenza climatologica degli eventi, la loro distribuzione stagionale e l’interpretazione delle prestazioni dei modelli. Ciò diventa ancora più rilevante quando si cercano eventuali variazioni a lungo termine della frequenza degli SSW o si confrontano simulazioni di climi passati e futuri. Senza una definizione coerente, una differenza attribuita al clima potrebbe in realtà derivare semplicemente dal metodo di identificazione utilizzato. È quindi significativo che gli studi successivi abbiano sostanzialmente confermato la validità pratica del criterio dei 60°N e 10 hPa, pur riconoscendone la natura convenzionale. Butler e Gerber hanno mostrato che tale scelta ricade all’interno di una gamma di soglie dinamicamente robuste, mentre il compendio di Butler e collaboratori ha dimostrato quanto una classificazione comune possa facilitare il confronto sistematico tra differenti rianalisi.
Nel complesso, la storia delle definizioni dei riscaldamenti stratosferici improvvisi rappresenta anche la storia della trasformazione della stratosfera da regione scarsamente osservata dell’atmosfera a componente essenziale del sistema climatico. Dai primi “riscaldamenti esplosivi” osservati da Scherhag alle moderne diagnosi basate sulla vorticità potenziale, sui modi anulari e sulle rianalisi globali, il concetto di SSW si è progressivamente arricchito. Oggi un grande riscaldamento stratosferico viene generalmente identificato attraverso l’inversione della circolazione zonale media del vortice polare, ma la sua comprensione richiede di considerare contemporaneamente la propagazione delle onde planetarie, la struttura tridimensionale del vortice, la risposta termica della stratosfera e l’eventuale comunicazione delle anomalie verso la troposfera. Proprio questa evoluzione concettuale costituisce uno dei messaggi centrali di Butler et al.: la standardizzazione rimane indispensabile per costruire climatologie coerenti e confrontare i modelli, ma nessuna definizione singola può sostituire l’analisi fisica completa di un sistema atmosferico caratterizzato da una variabilità continua, fortemente non lineare e strettamente accoppiata tra differenti livelli dell’atmosfera.
Figura 1 – Evoluzione dinamica dei riscaldamenti stratosferici improvvisi di tipo displacement e split
La Figura 1 dello studio di Butler et al. offre una rappresentazione particolarmente efficace della profonda riorganizzazione dinamica che può interessare il vortice polare stratosferico durante un riscaldamento stratosferico improvviso maggiore, mettendo a confronto due configurazioni archetipiche: l’evento di tipo displacement del 21 gennaio 2006 e l’evento di tipo split del 24 gennaio 2009. La sequenza temporale consente di seguire l’evoluzione della stratosfera dalle settimane precedenti fino ai giorni immediatamente successivi all’evento, evidenziando come anomalie termiche, struttura della vorticità potenziale e campo del vento siano strettamente collegati all’interazione tra onde planetarie e vortice polare. Le mappe sono riferite al livello di 10 hPa, corrispondente approssimativamente alla media stratosfera, intorno ai 30 km di quota, e mostrano le anomalie di temperatura rispetto alla climatologia ERA-Interim 1979–2012, la geometria del vortice attraverso il contorno di 7 PVU e il campo completo dei venti zonali e meridionali. È importante sottolineare che le aree colorate non rappresentano temperature assolute, bensì anomalie rispetto alla media climatologica: le tonalità gialle, arancioni e rosse indicano condizioni più calde del normale, mentre quelle azzurre e blu segnalano condizioni più fredde. Questa rappresentazione evidenzia immediatamente una delle caratteristiche fondamentali degli SSW, ossia il rapido sviluppo di anomalie termiche positive nella stratosfera polare, che nei casi più intensi possono raggiungere diverse decine di kelvin nel giro di pochi giorni. Tuttavia, come già chiarito dai lavori classici di Matsuno e dalla successiva letteratura sulla dinamica stratosferica, il riscaldamento non costituisce l’origine primaria dell’evento, ma rappresenta la risposta termodinamica a una profonda alterazione della circolazione indotta dalla propagazione e dalla dissipazione delle onde planetarie. Le onde di Rossby generate nella troposfera possono propagarsi verso l’alto quando la struttura del flusso zonale consente tale propagazione; una volta raggiunta la stratosfera, possono amplificarsi, rompersi e depositare quantità di moto, rallentando il getto polare stratosferico. L’indebolimento del flusso occidentale viene accompagnato da una modificazione della circolazione meridiana residua, con una maggiore subsidenza alle alte latitudini e conseguente riscaldamento adiabatico dell’aria polare. Questo schema, introdotto nei lavori fondamentali di Charney e Drazin e formalizzato dinamicamente da Matsuno, rimane uno dei pilastri teorici per comprendere gli SSW. La riga superiore della figura mostra l’evento del gennaio 2006, classificato come SSW di tipo displacement. Già nella fase compresa tra circa quindici e otto giorni prima dell’evento il vortice presenta segnali di deformazione e una distribuzione fortemente asimmetrica delle anomalie termiche. La presenza di un’estesa regione relativamente calda su un lato del Polo indica che la circolazione non è più quasi assialsimmetrica, ma sta iniziando a essere perturbata da una marcata componente ondulatoria. In questo tipo di evento il ruolo dominante viene spesso associato alla componente di numero d’onda planetario uno, che tende a produrre una forte asimmetria emisferica e a spostare l’intera struttura del vortice lontano dal Polo geografico. Nel pannello centrale della riga superiore, relativo alla settimana che precede l’evento, questa dinamica diventa molto più evidente: il contorno di vorticità potenziale si deforma, il centro del vortice si allontana ulteriormente dalla regione polare e il riscaldamento si intensifica. Nonostante la profonda perturbazione, il vortice mantiene comunque una struttura principale relativamente coerente, caratteristica che distingue gli eventi displacement dagli eventi di tipo split. Dopo il 21 gennaio 2006, nel pannello superiore destro, il campo termico mostra un’anomalia positiva molto estesa sull’Artico, mentre il vortice appare fortemente spostato e indebolito. Le frecce che rappresentano il campo del vento evidenziano inoltre la progressiva comparsa di componenti orientali, segnalando il collasso della normale circolazione occidentale che caratterizza il vortice polare invernale. È proprio questa inversione del vento zonale medio alle alte latitudini, generalmente valutata a 60°N e 10 hPa, a costituire il criterio più comunemente utilizzato per identificare un SSW maggiore secondo la metodologia resa particolarmente diffusa da Charlton e Polvani. La riga inferiore documenta invece l’evento del 24 gennaio 2009, uno degli esempi più chiari di split-type SSW. La fase iniziale appare profondamente differente da quella osservata nel 2006: nella prima finestra temporale il vortice mantiene una vasta regione caratterizzata da anomalie fredde, indicando una struttura polare ancora relativamente robusta, ma già sottoposta a una crescente deformazione dinamica. Nel pannello centrale, corrispondente alla settimana precedente l’evento, emerge una straordinaria area di anomalie positive che invade la regione polare e si associa a una deformazione sempre più marcata del contorno di vorticità potenziale. Il vortice assume progressivamente una forma allungata, compatibile con una crescente influenza della componente planetaria di numero d’onda due. La letteratura ha mostrato che questa configurazione può favorire una deformazione bilobata del vortice fino alla sua completa separazione in due strutture distinte. Nel pannello inferiore destro, relativo ai giorni successivi all’evento, tale processo è ormai pienamente sviluppato: il vortice originario è stato sostanzialmente frammentato in due lobi separati, mentre una vasta regione di anomalie termiche positive occupa la porzione centrale dell’Artico. La differenza rispetto all’evento del 2006 è quindi fondamentale. Nel caso displacement il vortice rimane sostanzialmente unitario ma viene spostato e deformato; nel caso split perde invece la propria coerenza strutturale e viene diviso in due vortici secondari. Questa distinzione morfologica, sviluppata e approfondita da numerosi studi, tra cui quelli di Charlton e Polvani, Matthewman et al., Mitchell et al. e Seviour et al., è diventata uno degli strumenti principali per descrivere la varietà degli SSW. Le analisi basate sui cosiddetti vortex moments hanno consentito di quantificare in modo più oggettivo caratteristiche come spostamento, elongazione, area e divisione del vortice, mostrando che la semplice classificazione binaria split/displacement, pur estremamente utile, rappresenta comunque una semplificazione di una variabilità stratosferica sostanzialmente continua. La Figura 1 permette inoltre di comprendere perché la vorticità potenziale costituisca un indicatore dinamico particolarmente informativo. Il vortice polare stratosferico non deve essere interpretato semplicemente come un’area di temperature molto basse, ma come una struttura coerente caratterizzata da elevata vorticità potenziale e circondata da forti gradienti dinamici. La forma del contorno di 7 PVU rende quindi visibile la trasformazione geometrica del vortice durante l’evento. Nel caso del 2006 il contorno viene prevalentemente traslato e deformato, mentre nel 2009 viene allungato fino a sviluppare due lobi chiaramente separati. Questa informazione aggiuntiva è fondamentale perché una semplice serie temporale del vento zonale a 60°N non consentirebbe di distinguere in maniera immediata queste due configurazioni. Proprio questa considerazione si collega direttamente alla questione centrale affrontata da Butler et al. nella discussione sulle definizioni degli SSW: una metrica semplice come l’inversione del vento zonale è estremamente utile per costruire climatologie, confrontare modelli e individuare gli eventi con un criterio oggettivo, ma non può descrivere integralmente la complessità tridimensionale della dinamica del vortice. Le mappe mostrano infatti che due eventi che soddisfano lo stesso criterio formale possono possedere geometrie e percorsi evolutivi molto differenti. La distinzione tra split e displacement ha suscitato particolare interesse anche per le possibili differenze negli effetti successivi sulla troposfera. Alcuni studi hanno suggerito che gli eventi di tipo split possano essere associati a perturbazioni stratosferiche più persistenti o a determinate configurazioni della circolazione superficiale, mentre altri lavori hanno sottolineato come il legame non sia sufficientemente deterministico da utilizzare la sola morfologia del vortice come predittore degli impatti meteorologici. Mitchell et al. hanno mostrato che la geometria del vortice può fornire informazioni aggiuntive sul comportamento dinamico degli eventi, mentre studi successivi sull’accoppiamento stratosfera-troposfera hanno evidenziato che la risposta al suolo dipende anche dallo stato della troposfera al momento dell’SSW, dalla struttura verticale dell’anomalia stratosferica e dalla sua capacità di propagarsi verso il basso. I lavori classici di Baldwin e Dunkerton hanno infatti dimostrato che le anomalie associate a un vortice polare fortemente indebolito possono propagarsi progressivamente dalla stratosfera superiore verso quella inferiore e successivamente influenzare la troposfera per diverse settimane. La risposta media tende ad assumere una struttura simile alla fase negativa dell’Arctic Oscillation e della North Atlantic Oscillation, con un indebolimento della circolazione zonale alle alte latitudini e una maggiore probabilità di deviazioni del getto e delle traiettorie delle perturbazioni. Tuttavia, studi successivi, tra cui quelli di Karpechko e collaboratori, hanno chiarito che soltanto una parte degli SSW produce una risposta troposferica intensa e persistente. Esistono quindi eventi caratterizzati da un forte downward coupling ed eventi nei quali il segnale stratosferico rimane largamente confinato alle quote superiori. Questo è un aspetto importante nell’interpretazione della Figura 1, perché la spettacolarità della perturbazione stratosferica non deve essere automaticamente tradotta in una previsione di gelo o di specifiche condizioni meteorologiche al suolo. La morfologia del vortice descrive ciò che accade nella stratosfera, mentre gli effetti regionali nella troposfera derivano da una concatenazione di processi più complessa. La posizione della linea dei 60°N, evidenziata nella figura, possiede pertanto un duplice significato. Da un lato rappresenta una semplice coordinata geografica; dall’altro costituisce il riferimento della definizione operativa moderna degli SSW maggiori. L’inversione del vento zonale medio a 60°N e 10 hPa è diventata particolarmente popolare grazie alla semplicità introdotta da Charlton e Polvani e alla sua facile applicazione alle rianalisi e ai modelli climatici. Butler et al. hanno tuttavia sottolineato come questa definizione non debba essere confusa automaticamente con la formulazione storica della WMO, che includeva anche criteri relativi al gradiente meridionale della temperatura e alla circolazione nella regione a nord dei 60°. La figura illustra visivamente perché tale semplificazione sia insieme utile e limitata: consente di fissare una soglia precisa per catalogare gli eventi, ma la vera evoluzione atmosferica coinvolge una vasta regione polare e una complessa riorganizzazione dei campi di temperatura, vento e vorticità potenziale. Anche la scala temporale riportata nei pannelli è scientificamente significativa. Gli SSW non sono eventi che nascono istantaneamente nel giorno dell’inversione del vento, ma il culmine di un processo di precondizionamento che può svilupparsi per molti giorni o settimane. L’aumento del flusso ondulatorio verso la stratosfera, la deformazione del vortice, la modifica della sua posizione e l’accumulo di anomalie termiche possono iniziare molto prima della data convenzionalmente attribuita all’evento. Il “giorno zero” utilizzato nelle climatologie deve pertanto essere considerato soprattutto un riferimento diagnostico, non il momento fisico nel quale comincia l’SSW. Analogamente, la fase successiva può protrarsi a lungo, poiché il vortice impiega settimane per ricostituirsi oppure, nel caso di eventi particolarmente tardivi, può non recuperare più la configurazione invernale prima del riscaldamento finale stagionale. La figura evidenzia anche come gli SSW costituiscano un fenomeno eminentemente dinamico e non semplicemente termico. Il colore rosso può attirare immediatamente l’attenzione sull’aumento della temperatura, ma il significato fisico dell’evento emerge soprattutto osservando simultaneamente la deformazione del contorno di vorticità e la modificazione del campo dei venti. Il rapido riscaldamento è prodotto dalla circolazione discendente associata alla decelerazione del flusso zonale, mentre l’inversione del vento è il risultato del deposito di quantità di moto da parte delle onde planetarie. Si tratta quindi di aspetti diversi dello stesso processo dinamico. In questa prospettiva, gli eventi del 2006 e del 2009 rappresentano due differenti modalità con le quali l’interazione onde-flusso medio può portare al collasso del vortice polare. Il confronto tra le due sequenze contribuisce anche a spiegare perché la comunità scientifica abbia progressivamente ampliato la diagnostica degli SSW oltre il semplice criterio del vento zonale. Strumenti basati su EOF, indici del Northern Annular Mode, altezza geopotenziale della calotta polare, geometria del vortice e distribuzione della vorticità potenziale permettono infatti di descrivere aspetti differenti dello stesso fenomeno. Butler et al. evidenziano che nessun singolo indicatore può essere considerato universalmente superiore: una definizione basata sul vento è estremamente efficace per costruire una climatologia uniforme, mentre una classificazione geometrica può essere più adatta a studiare i meccanismi dinamici e le differenze tra gli eventi. Studi successivi hanno ulteriormente rafforzato questa interpretazione, mostrando che gli SSW appartengono a un continuum di stati del vortice piuttosto che a due categorie rigidamente separate. La Figura 1 assume quindi un valore che va ben oltre la semplice descrizione di due episodi storici. Essa sintetizza il concetto fondamentale secondo cui un riscaldamento stratosferico improvviso rappresenta una riorganizzazione integrata del sistema dinamico polare. Temperatura, vento e vorticità potenziale cambiano simultaneamente perché il vortice viene sottoposto a un forte forcing ondulatorio proveniente dalla troposfera. Nel 2006 questo forcing produce principalmente lo spostamento della struttura vorticosa; nel 2009 determina invece una deformazione più simmetrica e una successiva divisione in due lobi. Entrambi gli eventi mostrano tuttavia la stessa caratteristica essenziale: il vortice polare perde temporaneamente il suo normale stato invernale dominato da intensi venti occidentali e viene sostituito da una circolazione profondamente perturbata, associata a un marcato riscaldamento della stratosfera artica. In questo senso la Figura 1 costituisce una delle rappresentazioni più immediate del motivo per cui gli SSW occupano una posizione centrale nella moderna meteorologia dinamica: essi dimostrano come onde atmosferiche originate nella troposfera possano modificare radicalmente la circolazione a decine di chilometri di quota e come questa perturbazione possa, in determinate circostanze, propagarsi nuovamente verso il basso influenzando il getto troposferico, la NAO, l’Arctic Oscillation e la distribuzione probabilistica delle condizioni meteorologiche alle medie latitudini. La figura mostra pertanto non soltanto due diverse configurazioni del vortice polare, ma l’espressione visiva dell’accoppiamento verticale che collega la troposfera alla stratosfera e successivamente, in alcuni eventi, la stratosfera alla troposfera, uno dei meccanismi più importanti attraverso cui la dinamica dell’alta atmosfera può contribuire alla prevedibilità meteorologica su scale temporali sub-stagionali.
Tabella 1 – Sensibilità della climatologia dei riscaldamenti stratosferici improvvisi alla definizione utilizzata
La Tabella 1 dello studio di Butler et al. costituisce uno dei passaggi più importanti per comprendere perché la definizione dei Sudden Stratospheric Warmings non rappresenti una semplice questione terminologica, ma un problema metodologico capace di influenzare in maniera sostanziale la climatologia stessa degli eventi. Gli autori applicano nove differenti criteri diagnostici a un periodo di 57 inverni, utilizzando da un lato la rianalisi NCEP–NCAR e dall’altro una serie composta da ERA-40 ed ERA-Interim, e mostrano che il numero medio di grandi riscaldamenti stratosferici identificati ogni anno cambia sensibilmente a seconda della variabile scelta, della latitudine considerata, del livello atmosferico utilizzato e delle regole adottate per separare un evento dal successivo. Il risultato più immediato è che non esiste una frequenza degli SSW completamente indipendente dalla loro definizione: nelle rianalisi ERA, per esempio, si passa da appena 0,35 eventi all’anno con una definizione fondata esclusivamente su un aumento termico estremamente rapido fino a 0,91 eventi all’anno quando viene considerata l’inversione del vento medio sull’intera calotta polare compresa fra 60° e 90°N. In termini approssimativi significa passare da circa tre o quattro eventi per decennio a circa nove, una differenza superiore a un fattore due. Su un intervallo di 57 inverni, valori di questo ordine corrispondono grossolanamente a una ventina di eventi nel caso della definizione più restrittiva e a oltre cinquanta nel caso di quella più permissiva. La tabella dimostra pertanto in maniera quantitativa quanto sia rischioso confrontare due climatologie degli SSW senza verificare prima che sia stata impiegata la stessa definizione.
La prima metodologia considerata, indicata con U&T, tenta di conservare più fedelmente alcuni elementi delle definizioni storiche associate alla World Meteorological Organization, combinando l’inversione del vento zonale medio a 60°N e 10 hPa con l’inversione del gradiente meridionale della temperatura. L’evento viene identificato quando, tra novembre e marzo, i venti zonali medi scendono al di sotto dello zero e contemporaneamente, entro un intervallo temporale limitato, la struttura termica polare presenta l’inversione richiesta. Questa impostazione riflette la concezione classica secondo cui un grande SSW non dovrebbe essere identificato soltanto attraverso il collasso dinamico del vortice, ma anche attraverso la trasformazione della struttura termica della stratosfera. La frequenza ottenuta è pari a 0,58 eventi all’anno nelle NCEP–NCAR e 0,65 nelle ERA. Il fatto che i valori siano relativamente vicini mostra che i due requisiti tendono frequentemente a verificarsi insieme durante i grandi eventi, coerentemente con la dinamica descritta dai lavori di Matsuno e dalla teoria dell’interazione tra onde planetarie e flusso medio. Quando il forcing ondulatorio rallenta intensamente il vortice, la circolazione meridiana indotta determina infatti subsidenza e riscaldamento della regione polare, collegando direttamente la decelerazione dei venti alla trasformazione del campo termico.
Il criterio CP07, introdotto e sistematizzato da Charlton e Polvani nel 2007, rimuove invece il requisito esplicito relativo al gradiente termico e identifica l’evento principalmente attraverso l’inversione del vento zonale medio a 60°N e 10 hPa. La frequenza risultante, 0,61 eventi all’anno nelle NCEP–NCAR e 0,65 nelle ERA, è soltanto leggermente superiore a quella ottenuta con U&T. Questa vicinanza è scientificamente significativa perché dimostra che, nella maggior parte dei grandi episodi, l’inversione dinamica della circolazione è accompagnata anche da una profonda riorganizzazione termica. Allo stesso tempo, la piccola differenza mostra che i due criteri non sono perfettamente equivalenti. La definizione CP07 ha acquisito enorme popolarità nella letteratura proprio perché riesce a ridurre un fenomeno molto complesso a un criterio semplice, oggettivo e facilmente riproducibile. La stessa variabile può essere infatti estratta con facilità dalle rianalisi, dai modelli climatici e dagli ensemble previsionali, consentendo confronti uniformi fra sistemi differenti. Charlton e Polvani sottolinearono inoltre l’importanza di stabilire regole precise per distinguere eventi ravvicinati e per separare gli SSW di pieno inverno dai riscaldamenti finali, mostrando che la standardizzazione non riguarda soltanto la soglia dinamica, ma anche l’intera procedura di conteggio.
Un elemento particolarmente istruttivo emerge passando dalla definizione CP07 a U65, nella quale viene modificata una sola caratteristica: la latitudine di riferimento viene spostata da 60°N a 65°N. Apparentemente si tratta di un cambiamento minimo, ma la frequenza aumenta fino a 0,77 eventi all’anno nelle NCEP–NCAR e 0,84 nelle ERA. Questo incremento dimostra quanto il risultato possa essere sensibile alla posizione geografica scelta per valutare l’inversione del vento. Avvicinandosi maggiormente al nucleo climatologico del vortice polare, aumenta infatti la probabilità di rilevare episodi nei quali la circolazione orientale si sviluppa alle alte latitudini senza estendersi abbastanza verso sud da raggiungere anche 60°N. In altre parole, alcuni disturbi che dal punto di vista dinamico rappresentano un forte collasso del vortice non superano necessariamente la soglia prevista dalla definizione CP07, mentre vengono conteggiati utilizzando 65°N. Questo è un esempio molto chiaro del fatto che una soglia convenzionale non coincide con un confine fisico assoluto tra “SSW” e “non SSW”.
La sensibilità diventa ancora più evidente con U6090, che considera il vento zonale medio mediato sull’intera regione compresa fra 60° e 90°N. Questa definizione produce le frequenze più elevate della tabella, pari a 0,81 eventi all’anno nelle NCEP–NCAR e 0,91 nelle ERA. La ragione è che il criterio consente di identificare come SSW anche configurazioni nelle quali l’indebolimento o l’inversione della circolazione interessa in maniera molto marcata la calotta polare nel suo complesso, ma non necessariamente ogni singola latitudine. Il confronto tra CP07, U65 e U6090 è quindi particolarmente utile perché dimostra che tre metriche basate sulla stessa variabile fisica, il vento zonale medio a 10 hPa, possono produrre climatologie molto diverse semplicemente modificando la regione geografica sulla quale viene applicata la soglia. Questo risultato anticipa uno dei messaggi successivamente formalizzati da Butler e Gerber nel 2018: la distribuzione degli stati del vortice polare è sostanzialmente continua e non presenta una soglia naturale universale capace di separare perfettamente gli SSW dal resto della variabilità stratosferica. Il criterio di 60°N e 10 hPa rimane estremamente utile, ma deve essere considerato una convenzione operativa robusta e non una discontinuità intrinseca del sistema atmosferico.
La definizione basata sui momenti del vortice, MOM, rappresenta un cambiamento concettuale ancora più profondo, perché non utilizza direttamente l’inversione del vento ma analizza la geometria del vortice attraverso il campo dell’altezza geopotenziale a 10 hPa. Seguendo gli approcci di Mitchell et al. e Seviour et al., vengono valutati parametri quali la latitudine del centroide e il rapporto di forma del vortice. Gli eventi di displacement vengono riconosciuti quando il centro del vortice viene spostato sufficientemente verso l’equatore per almeno sette giorni, mentre gli eventi di split vengono individuati quando la struttura raggiunge una deformazione geometrica tale da indicare una divisione sostanziale del vortice. La frequenza risultante è di 0,49 eventi all’anno nelle NCEP–NCAR e 0,68 nelle ERA. La differenza fra i due dataset è notevolmente maggiore rispetto a quella ottenuta con CP07 e suggerisce che le metriche geometriche siano più sensibili al modo in cui le differenti rianalisi rappresentano la struttura spaziale del vortice, soprattutto nei periodi più lontani dall’era satellitare moderna. Questo non rappresenta necessariamente un difetto della metodologia: il criterio MOM cerca di descrivere una caratteristica più complessa del fenomeno e quindi inevitabilmente utilizza una quantità maggiore di informazione spaziale rispetto alla misura del vento in una singola latitudine.
Gli studi di Mitchell et al. del 2011 e degli anni successivi hanno mostrato quanto l’analisi geometrica sia utile per distinguere gli eventi di tipo split da quelli di tipo displacement, proprio come illustrato dalla Figura 1 dello stesso lavoro di Butler et al. Un vortice può infatti essere intensamente perturbato mantenendo però una struttura principale unica, oppure può allungarsi e frammentarsi in due lobi distinti. Queste due evoluzioni possono soddisfare entrambe la definizione dinamica di grande SSW, ma derivano da configurazioni differenti dell’attività ondulatoria e possono mostrare percorsi evolutivi diversi. Le diagnostiche basate sui momenti del vortice possiedono pertanto un forte significato fisico, soprattutto quando l’obiettivo è comprendere la morfologia e la dinamica dei singoli episodi, mentre risultano meno semplici da utilizzare come metrica universale per grandi ensemble climatici.
Il criterio ZPOL considera invece le anomalie dell’altezza geopotenziale media della calotta polare a 10 hPa. Un forte aumento dell’altezza geopotenziale sopra l’Artico costituisce una delle manifestazioni più caratteristiche di un vortice polare estremamente debole, e gli eventi vengono identificati quando le anomalie superano tre deviazioni standard. La frequenza ottenuta è pari a 0,65 eventi all’anno nelle NCEP–NCAR e 0,61 nelle ERA. Questi valori sono sorprendentemente vicini a quelli ottenuti con CP07, nonostante la variabile utilizzata sia differente. Ciò suggerisce che i grandi eventi caratterizzati dall’inversione del vento sono generalmente associati anche a anomalie estreme della struttura geopotenziale polare. Questo collegamento è coerente con la stretta relazione tra intensità del vortice e Northern Annular Mode, ampiamente discussa nei lavori di Baldwin e Dunkerton, Thompson et al., Gerber et al. e Baldwin e Thompson.
La definizione EOFZ spinge ulteriormente questa impostazione utilizzando la prima funzione ortogonale empirica delle anomalie dell’altezza geopotenziale zonalmente media a 10 hPa. Le EOF consentono di isolare statisticamente la modalità dominante della variabilità stratosferica e il relativo indice può essere interpretato come una misura dell’intensità del vortice e del modo anulare stratosferico. Gli eventi vengono individuati quando la componente principale raggiunge valori estremi superiori, in valore assoluto, a tre deviazioni standard nella fase corrispondente a un vortice fortemente indebolito. La frequenza risulta pari a 0,65 eventi all’anno nelle NCEP–NCAR e 0,60 nelle ERA. Anche in questo caso si ottiene quindi una climatologia dell’ordine di sei eventi per decennio. I lavori di Baldwin e Thompson hanno mostrato che gli indici basati sul geopotenziale possono possedere una relazione particolarmente efficace con l’accoppiamento verticale fra stratosfera e troposfera, perché descrivono una struttura spaziale più ampia rispetto al semplice valore del vento a una singola latitudine. Ciò li rende particolarmente interessanti quando l’obiettivo non è soltanto contare gli SSW, ma studiare la successiva propagazione verso il basso delle anomalie.
La metrica EOFU impiega una procedura analoga, ma applicata alle anomalie del vento zonale medio a 50 hPa nell’intervallo latitudinale 20°–90°N. La frequenza scende a 0,46 eventi all’anno nelle NCEP–NCAR e 0,49 nelle ERA. La riduzione rispetto a CP07 può essere interpretata considerando che il livello di 50 hPa è collocato più in basso nella stratosfera. Non tutti gli eventi che producono un’intensa inversione della circolazione a 10 hPa riescono infatti a generare immediatamente o con la stessa intensità una perturbazione estrema anche nella stratosfera inferiore. Utilizzare 50 hPa tende quindi a selezionare maggiormente gli eventi nei quali il disturbo possiede una struttura verticale profonda. Questa distinzione è molto importante alla luce degli studi sull’accoppiamento stratosfera-troposfera: Baldwin e Dunkerton hanno mostrato che la progressione verso il basso delle anomalie del modo anulare costituisce uno dei meccanismi attraverso i quali gli SSW possono influenzare la circolazione troposferica nelle settimane successive, ma lavori successivi hanno chiarito che non tutti gli eventi mostrano la stessa efficacia nella propagazione verso il basso.
La definizione TMP, basata sull’aumento della temperatura di oltre 40 gradi nell’arco di una settimana o meno nella stratosfera a nord di 60°N, produce infine la frequenza più bassa, pari a 0,37 eventi all’anno nelle NCEP–NCAR e 0,35 nelle ERA. Questo risultato è molto significativo dal punto di vista storico. I riscaldamenti stratosferici furono originariamente scoperti proprio grazie alle impressionanti variazioni termiche osservate dalle radiosonde, e il termine stesso “warming” pone naturalmente l’accento sulla temperatura. Tuttavia, la tabella mostra che una definizione fondata esclusivamente sull’intensità del riscaldamento individua soltanto una parte degli eventi che soddisfano i criteri dinamici moderni. Un grande SSW può infatti produrre un completo collasso del vortice e un’inversione della circolazione senza necessariamente superare una soglia termica tanto estrema in una singola settimana. Viceversa, un rapido riscaldamento locale o regionale non implica automaticamente la completa inversione della circolazione zonale. Questo è uno dei motivi per cui la comunità scientifica si è progressivamente spostata da definizioni puramente termiche verso criteri maggiormente legati alla dinamica del vortice.
La differenza tra 0,35 e 0,91 eventi all’anno rappresenta quindi molto più di una curiosità statistica. Essa mostra che la risposta alla domanda “quanto spesso si verifica un SSW?” dipende da cosa si intende esattamente per SSW. Se si richiede un aumento termico estremamente rapido, gli eventi risultano relativamente rari; se si considera l’inversione media della circolazione su tutta la calotta polare, risultano quasi tre volte più frequenti. Il fenomeno atmosferico sottostante non cambia: cambia il modo con cui viene trasformato in una categoria statistica. Questo punto è particolarmente importante per gli studi sulle tendenze climatiche. Se due analisi utilizzano criteri differenti, una differenza nella frequenza degli SSW potrebbe derivare dalla metodologia piuttosto che da un vero cambiamento della dinamica stratosferica.
La Tabella 1 mostra inoltre che il problema non riguarda soltanto la definizione, ma anche la rianalisi utilizzata. Alcuni criteri forniscono risultati molto simili tra NCEP–NCAR ed ERA, mentre altri mostrano differenze considerevoli. CP07 passa soltanto da 0,61 a 0,65 eventi all’anno, mentre MOM passa da 0,49 a 0,68. Questo suggerisce che una definizione basata su una variabile relativamente semplice come il vento zonale medio possa essere più robusta rispetto alle differenze tra sistemi di assimilazione, mentre criteri che dipendono dalla geometria dettagliata del vortice possono essere più sensibili alla rappresentazione spaziale fornita dalla rianalisi. Va inoltre ricordato che il periodo analizzato comincia nel 1958, quando il sistema osservativo dell’alta atmosfera era molto meno completo di quello sviluppatosi dopo l’introduzione dei satelliti. Le rianalisi devono quindi ricostruire la stratosfera utilizzando quantità e tipologie di osservazioni molto differenti lungo il periodo storico, circostanza che può influenzare soprattutto gli indicatori multidimensionali.
Il confronto fra le nove definizioni mette anche in luce la natura intrinsecamente multidimensionale degli SSW. U&T descrive contemporaneamente il vento e la temperatura; CP07, U65 e U6090 misurano lo stato della circolazione zonale; MOM osserva la geometria del vortice; ZPOL e EOFZ analizzano la struttura del geopotenziale; EOFU considera il modo dominante del vento in una porzione più profonda della stratosfera; TMP utilizza il cambiamento termico. Nessuna di queste variabili, considerata isolatamente, contiene tutta l’informazione fisica relativa a un SSW. L’evento reale comprende contemporaneamente la propagazione delle onde planetarie, la decelerazione del getto polare, la trasformazione della circolazione meridiana, il riscaldamento adiabatico della regione polare, la deformazione della distribuzione di vorticità potenziale e, in alcuni casi, la successiva propagazione delle anomalie verso la troposfera.
Questo problema è stato approfondito da Butler e Gerber, che hanno analizzato sistematicamente la sensibilità dell’identificazione degli SSW alla latitudine, alla quota e alla soglia del vento. Il loro risultato fondamentale è che non emerge una discontinuità naturale capace di fornire una definizione unica e incontestabile. Gli stati del vortice polare formano piuttosto un continuum. Esiste però una regione dello spazio dei parametri nella quale le definizioni producono eventi dinamicamente coerenti, e il tradizionale criterio dell’inversione del vento a 60°N e 10 hPa ricade proprio all’interno di questa zona di robustezza. Questo risultato conferisce una giustificazione importante all’uso di CP07: non perché la natura possieda una soglia speciale esattamente a 60°N e 10 hPa, ma perché tale criterio offre un compromesso particolarmente efficace tra semplicità, significato dinamico e stabilità statistica.
Il Sudden Stratospheric Warming Compendium elaborato successivamente da Butler e collaboratori ha rafforzato ulteriormente la necessità di una classificazione uniforme. Utilizzando differenti rianalisi, il compendio ha permesso di confrontare sistematicamente gli eventi e di analizzarne la struttura tridimensionale, mostrando contemporaneamente la notevole diversità esistente fra un episodio e l’altro. Questo aspetto è fondamentale: una definizione standardizzata è necessaria per stabilire quando un evento entra nel catalogo, ma non implica che tutti gli eventi del catalogo siano dinamicamente equivalenti. Un SSW di tipo split può avere una storia ondulatoria molto diversa da un displacement; un evento può produrre una forte risposta troposferica mentre un altro, pur presentando una simile inversione dei venti a 10 hPa, può esercitare effetti superficiali molto più limitati.
La letteratura sull’accoppiamento stratosfera-troposfera ha reso questa distinzione ancora più importante. Baldwin e Dunkerton dimostrarono che intense anomalie della circolazione stratosferica possono propagarsi verso il basso e precedere variazioni della probabilità degli stati della North Atlantic Oscillation e dell’Arctic Oscillation. Studi più recenti, tuttavia, hanno sottolineato che la risposta non è uniforme e che esiste una considerevole variabilità tra gli eventi. Karpechko et al. hanno distinto episodi caratterizzati da una chiara propagazione verso il basso da quelli nei quali la perturbazione stratosferica produce una risposta troposferica molto più debole. Anche Domeisen e altri autori hanno mostrato che la capacità dei modelli di sfruttare gli SSW come fonte di prevedibilità sub-stagionale dipende non soltanto dall’identificazione dell’evento, ma dalla corretta rappresentazione della sua evoluzione verticale e dell’interazione con lo stato preesistente della troposfera.
La Tabella 1 assume quindi un significato più ampio rispetto al semplice confronto numerico delle frequenze. Essa mostra che la definizione scientifica di un fenomeno complesso deve essere costruita in funzione dello scopo dell’analisi. Se l’obiettivo è confrontare la frequenza degli SSW fra decine di modelli climatici, una misura semplice come CP07 presenta vantaggi difficilmente superabili. Se invece si vuole comprendere se il vortice si sia spostato o diviso, una diagnostica geometrica come MOM offre informazioni decisamente più ricche. Se l’interesse riguarda la propagazione delle anomalie verso la troposfera, gli indici del geopotenziale o dei modi anulari possono risultare più pertinenti. Se infine si intende ricostruire la storia osservativa originaria dei riscaldamenti, la rapidità dell’aumento termico mantiene un significato importante, pur non essendo sufficiente a rappresentare tutta la dinamica dell’evento.
Nel complesso, la Tabella 1 fornisce quindi una delle dimostrazioni più convincenti del motivo per cui Butler et al. ritengano indispensabile distinguere fra una definizione standard degli SSW e le numerose diagnostiche utilizzabili per studiarli. La standardizzazione è necessaria affinché frequenze, tendenze, modelli e rianalisi possano essere confrontati in maniera omogenea; le diagnostiche complementari sono invece necessarie per preservare la ricchezza fisica del fenomeno. La differenza fra circa 3,5 e 9,1 eventi per decennio ottenuta utilizzando criteri diversi mostra che la scelta metodologica può cambiare radicalmente l’immagine climatologica della stratosfera. È precisamente per questa ragione che ogni studio sugli SSW dovrebbe specificare con estrema chiarezza non soltanto quale variabile sia stata utilizzata, ma anche latitudine, livello di pressione, soglia, periodo stagionale, criterio di separazione tra gli eventi e modalità con cui vengono esclusi i riscaldamenti finali. Solo attraverso questa trasparenza metodologica è possibile stabilire se differenze tra due climatologie riflettano realmente un cambiamento del vortice polare oppure semplicemente due modi differenti di definire lo stesso, complesso fenomeno atmosferico.
Figura 2 – Sensibilità della climatologia degli SSW alla definizione diagnostica e implicazioni per lo studio del vortice polare stratosferico
La Figura 2 di Butler et al. costituisce una dimostrazione particolarmente efficace di quanto la climatologia dei riscaldamenti stratosferici improvvisi dipenda dalla scelta del criterio utilizzato per identificarli. Gli autori applicano sette differenti definizioni di major midwinter Sudden Stratospheric Warming alla medesima rianalisi NCEP–NCAR, coprendo il periodo compreso tra il 1958 e il 2014, e rappresentano per ogni inverno il numero di eventi individuati. Il confronto è metodologicamente molto importante perché mantiene invariata la sorgente dei dati e modifica soltanto la definizione diagnostica: le differenze fra i pannelli non possono quindi essere attribuite a differenti modelli di assimilazione o a periodi osservativi diversi, ma derivano direttamente da come viene trasformata la complessa evoluzione del vortice polare in una categoria discreta chiamata “SSW maggiore”. Il messaggio che emerge dalla figura è netto: non esiste una serie temporale degli SSW completamente indipendente dalla definizione utilizzata. La frequenza media varia infatti da circa 0,46 fino a 0,81 eventi per inverno anche se viene analizzata esattamente la stessa atmosfera ricostruita dalla medesima rianalisi. Questo risultato costituisce uno dei principali argomenti utilizzati da Butler et al. per sostenere la necessità di una maggiore standardizzazione della definizione degli SSW, soprattutto quando tali eventi vengono utilizzati per confrontare modelli climatici, valutare la variabilità interannuale o cercare eventuali tendenze di lungo periodo.
Il pannello (a) applica un criterio che combina l’inversione del vento zonale medio a 60°N e 10 hPa con l’inversione del gradiente meridionale di temperatura. La frequenza media è di circa 0,58 eventi per inverno, corrispondente a poco meno di sei SSW ogni decennio. Questa definizione conserva due elementi storicamente fondamentali del concetto di grande riscaldamento stratosferico: il collasso della normale circolazione occidentale del vortice polare e la trasformazione della struttura termica della stratosfera alle alte latitudini. Il legame fisico fra questi due elementi deriva dalla dinamica dell’interazione tra onde planetarie e flusso medio. I lavori classici di Charney e Drazin e di Matsuno mostrarono che la propagazione verticale delle onde di Rossby dalla troposfera verso la stratosfera può depositare quantità di moto nel flusso medio, rallentando progressivamente i venti occidentali del vortice. La risposta della circolazione meridiana comporta una maggiore subsidenza dell’aria nella regione polare e un conseguente riscaldamento adiabatico. In un SSW sufficientemente intenso, la struttura termica può quindi invertirsi contemporaneamente alla circolazione zonale. È proprio questa concatenazione dinamica che giustifica l’utilizzo congiunto di vento e temperatura, anche se la Figura 2 mostra che tale requisito addizionale riduce leggermente il numero degli eventi rispetto a una definizione basata soltanto sul vento.
Il pannello (b) utilizza infatti la definizione resa particolarmente popolare da Charlton e Polvani nel 2007, basata sull’inversione del vento zonale medio a 60°N e 10 hPa e accompagnata da specifiche regole temporali per separare eventi ravvicinati ed escludere i riscaldamenti finali. La frequenza media sale leggermente fino a circa 0,61 SSW per inverno. La grande somiglianza fra le serie dei pannelli (a) e (b) dimostra che i grandi episodi caratterizzati dall’inversione della circolazione presentano nella maggior parte dei casi anche una profonda riorganizzazione termica, ma le due condizioni non sono perfettamente equivalenti. Alcuni eventi raggiungono la soglia dinamica richiesta da CP07 senza soddisfare precisamente il criterio aggiuntivo sul gradiente termico, e proprio questi casi spiegano la differenza fra le due climatologie. La definizione di Charlton e Polvani ha avuto enorme diffusione perché riesce a condensare un fenomeno tridimensionale molto complesso in un indicatore estremamente semplice, costituito da una sola variabile a una sola latitudine e a un singolo livello di pressione. Questa semplicità ne facilita l’applicazione alle rianalisi, ai modelli climatici e ai grandi ensemble previsionali, rendendo possibili confronti che sarebbero molto più difficili utilizzando diagnostiche geometriche o multivariate.
Il pannello (c) rappresenta un esperimento concettualmente semplice ma estremamente istruttivo. Viene mantenuta sostanzialmente la definizione del pannello (a), ma gli eventi vengono cercati soltanto nei mesi di dicembre, gennaio e febbraio. La frequenza media scende a circa 0,46 eventi per inverno. Non è cambiata la dinamica atmosferica, non è cambiata la soglia e non è cambiato il dataset: è stato modificato esclusivamente il periodo stagionale considerato. Il risultato mostra quanto la definizione temporale di “midwinter” sia importante. Gli SSW che si verificano in novembre o marzo vengono semplicemente esclusi, e ciò riduce sensibilmente la frequenza climatologica. Questo aspetto è particolarmente rilevante per gli eventi tardivi, perché marzo costituisce un periodo nel quale diventa sempre più difficile distinguere un vero SSW di pieno inverno dal riscaldamento finale stagionale. La distinzione richiede di verificare se, dopo l’inversione, il vortice riesca effettivamente a ristabilire per un periodo sufficientemente lungo la circolazione occidentale prima del passaggio definitivo alla configurazione estiva. Butler et al. sottolineano proprio come la definizione del limite stagionale costituisca una delle fonti storiche di ambiguità nella classificazione degli SSW.
Il pannello (d) mostra quanto anche una modifica geografica apparentemente minima possa avere effetti considerevoli. Il criterio viene spostato da 60°N a 65°N, mantenendo il livello di 10 hPa. La frequenza aumenta fino a circa 0,77 eventi per inverno, quasi otto per decennio. Questo incremento è fisicamente comprensibile considerando la struttura del vortice polare. Durante numerosi episodi di forte indebolimento, la circolazione può diventare orientale alle latitudini più elevate senza che l’inversione si estenda immediatamente fino a 60°N. Utilizzando 65°N si intercettano quindi alcuni eventi che rimangono al di sotto della soglia CP07. La differenza fra 0,61 e 0,77 eventi per inverno derivante da soli cinque gradi di latitudine rappresenta uno degli esempi più chiari della natura convenzionale delle soglie diagnostiche. Butler e Gerber hanno successivamente approfondito proprio questo problema, mostrando che non esiste una latitudine o un livello atmosferico che separino naturalmente e senza ambiguità gli SSW dal resto della variabilità del vortice. Gli stati della stratosfera polare formano piuttosto un continuum e la soglia di 60°N e 10 hPa deve essere interpretata come una convenzione dinamicamente ragionevole e statisticamente robusta, non come un confine fisico assoluto.
Il pannello (e) amplia ulteriormente la regione considerata, utilizzando il vento zonale a 10 hPa mediato fra 60° e 90°N. La frequenza raggiunge 0,81 eventi per inverno, il valore più elevato della figura. Questa definizione identifica il collasso della circolazione media della calotta polare senza richiedere che l’inversione si manifesti precisamente a una specifica latitudine. È quindi più sensibile a perturbazioni che coinvolgono in maniera molto intensa il nucleo del vortice, ma che possono mantenere localmente una componente occidentale a 60°N. Il confronto fra i pannelli (b), (d) ed (e) è particolarmente eloquente perché le tre diagnostiche utilizzano tutte il vento zonale a 10 hPa, ma forniscono frequenze rispettivamente di circa 0,61, 0,77 e 0,81 eventi per inverno. Questo significa che non è necessario cambiare variabile fisica per ottenere climatologie significativamente differenti: è sufficiente modificare il dominio spaziale su cui quella variabile viene valutata.
Il pannello (f) introduce invece un paradigma differente, basato sui momenti del vortice, con una frequenza di circa 0,49 eventi per inverno. Questa metodologia, sviluppata e perfezionata nei lavori di Mitchell et al. e Seviour et al., descrive geometricamente il vortice attraverso proprietà come la posizione del centroide e il rapporto di forma. In questo modo è possibile distinguere in maniera quantitativa gli eventi nei quali il vortice viene prevalentemente spostato dal Polo dagli episodi nei quali viene fortemente elongato e infine diviso. Si tratta di un approccio fisicamente molto ricco perché riconosce esplicitamente il fatto che gli SSW non sono tutti morfologicamente equivalenti. Gli eventi displacement tendono generalmente a essere associati a un’importante componente di onda planetaria uno, mentre gli eventi split sono spesso collegati a una forte amplificazione della componente di numero d’onda due, pur non trattandosi di una corrispondenza perfettamente deterministica. La frequenza relativamente bassa ottenuta con MOM dimostra che una forte inversione del vento non coincide necessariamente con il superamento delle soglie geometriche utilizzate per identificare una deformazione persistente del vortice.
La differenza fra una definizione basata sul vento e una basata sulla geometria è scientificamente importante. Un SSW può produrre un’estrema decelerazione della circolazione zonale senza generare necessariamente una divisione netta o uno spostamento particolarmente persistente del vortice. Viceversa, un vortice può subire una forte deformazione geometrica prima che l’indice del vento raggiunga la soglia convenzionale. Gli studi di Mitchell et al. hanno mostrato che la classificazione geometrica può essere utile per investigare le differenti evoluzioni dinamiche degli eventi e le loro possibili conseguenze troposferiche, ma la Figura 2 mette in evidenza il prezzo metodologico di questa maggiore ricchezza fisica: il catalogo risultante non coincide con quello ottenuto utilizzando CP07.
Il pannello (g) utilizza le anomalie dell’altezza geopotenziale media della calotta polare fra 60° e 90°N a 10 hPa e identifica gli eventi quando tali anomalie superano tre deviazioni standard rispetto alla climatologia di riferimento. La frequenza risultante è circa 0,65 eventi per inverno, sorprendentemente vicina a quella ottenuta tramite il criterio CP07. Questa convergenza deriva dalla forte relazione dinamica fra geopotenziale e intensità del vortice polare. Un vortice invernale intenso e freddo è generalmente associato a basse altezze geopotenziali nella stratosfera polare, mentre durante un grande SSW la regione artica può essere caratterizzata da anomalie geopotenziali fortemente positive. Gli studi di Thompson et al., Baldwin e Thompson e Gerber et al. hanno mostrato che tali anomalie sono strettamente collegate ai modi anulari della circolazione e costituiscono una metrica particolarmente utile per seguire la propagazione verticale delle perturbazioni.
Il pannello (h) utilizza invece la principale EOF delle anomalie del vento zonale tra 20° e 90°N a 50 hPa, ottenendo una frequenza media di circa 0,46 eventi per inverno. La scelta dei 50 hPa è particolarmente significativa perché sposta l’attenzione dalla media stratosfera alla regione inferiore della stratosfera. Non tutti gli SSW che producono una drastica inversione a 10 hPa riescono a sviluppare una perturbazione altrettanto estrema anche a livelli inferiori. Il criterio EOFU tende quindi a selezionare maggiormente gli eventi caratterizzati da una struttura verticale profonda. Questo aspetto è strettamente collegato al problema dell’accoppiamento stratosfera-troposfera. Baldwin e Dunkerton mostrarono nei loro lavori fondamentali che le anomalie del modo anulare possono propagarsi dalla stratosfera superiore verso quella inferiore e successivamente influenzare la troposfera per diverse settimane. Tuttavia, la letteratura successiva ha chiarito che questa propagazione verso il basso non avviene con la stessa efficacia in tutti gli SSW.
Karpechko et al. hanno infatti mostrato che gli eventi possono essere distinti fra casi caratterizzati da una chiara risposta troposferica e casi nei quali il segnale rimane prevalentemente confinato alla stratosfera. Nei primi, le anomalie possono essere seguite da una configurazione superficiale simile alla fase negativa dell’Arctic Oscillation e della North Atlantic Oscillation, con un indebolimento relativo della circolazione zonale alle alte latitudini e una modificazione delle storm track. Negli altri, invece, anche un SSW dinamicamente intenso può produrre effetti superficiali modesti. Ciò significa che la soglia utilizzata per identificare formalmente un SSW non coincide necessariamente con la soglia ottimale per prevederne l’impatto troposferico. Una metrica della stratosfera inferiore, come quella rappresentata dal pannello (h), può in alcuni contesti risultare maggiormente informativa riguardo alla profondità verticale della perturbazione, sebbene non rappresenti necessariamente la migliore definizione universale dell’evento.
La distribuzione temporale delle barre aggiunge un’ulteriore informazione importante. Gli SSW non mostrano una periodicità regolare. Esistono sequenze di anni nelle quali gli eventi sono relativamente frequenti e altri intervalli nei quali il vortice rimane per diverse stagioni senza produrre un grande riscaldamento secondo una determinata definizione. Questa irregolarità riflette la natura fortemente variabile dell’interazione onde-flusso medio. Il vortice stratosferico viene continuamente modulato dalla propagazione delle onde planetarie generate nella troposfera, la cui ampiezza dipende a sua volta dalla configurazione dei continenti, dall’orografia, dai contrasti termici, dalle onde stazionarie e dalla variabilità interna della circolazione.
Numerosi studi hanno inoltre mostrato che la probabilità di un SSW può essere modulata da fenomeni climatici su scala più ampia. ENSO, per esempio, può modificare la propagazione delle onde planetarie attraverso la riorganizzazione della circolazione troposferica del Pacifico settentrionale; lavori come quelli di Manzini et al., Garfinkel e Hartmann e Butler e collaboratori hanno esplorato il legame fra ENSO e variabilità del vortice. Anche la Quasi-Biennial Oscillation può influenzare statisticamente lo stato della stratosfera extratropicale attraverso il cosiddetto effetto Holton-Tan, modificando le condizioni di propagazione delle onde planetarie. Tuttavia, nessuno di questi fattori determina in modo univoco la comparsa di un SSW, e la notevole irregolarità visibile nella Figura 2 costituisce proprio la manifestazione della combinazione fra forzanti prevedibili e variabilità interna atmosferica.
La figura mostra inoltre come gli eventi più intensi tendano a essere riconosciuti da numerose definizioni contemporaneamente, mentre le discrepanze aumentano per gli episodi vicini alle soglie. Questo punto è essenziale per interpretare correttamente il problema. Non significa che ogni sistema diagnostico produca un insieme completamente diverso di SSW. I grandi collassi del vortice comportano generalmente, nello stesso episodio, un’intensa decelerazione del vento, un marcato riscaldamento polare, forti anomalie del geopotenziale e una notevole deformazione del vortice. Questi eventi compaiono quindi in molti pannelli contemporaneamente. Le divergenze emergono soprattutto quando il fenomeno è intenso ma non abbastanza da superare tutte le soglie convenzionali.
Proprio questa continuità dinamica è stata evidenziata da Butler e Gerber nel loro lavoro sull’ottimizzazione della definizione degli SSW. Esaminando sistematicamente differenti combinazioni di latitudine, quota e soglia del vento, gli autori mostrarono che non emerge una separazione naturale netta fra eventi e non-eventi. Una perturbazione con vento leggermente positivo a 60°N e 10 hPa può essere dinamicamente quasi indistinguibile da una perturbazione nella quale il vento diventa appena orientale. Tuttavia, la definizione richiede necessariamente una soglia se l’obiettivo è costruire una climatologia discreta. Il problema diventa quindi quello di scegliere un criterio sufficientemente semplice, fisicamente significativo e statisticamente robusto. Il tradizionale riferimento ai 60°N e 10 hPa soddisfa relativamente bene questi requisiti e rimane per questo uno degli standard più utilizzati nella letteratura moderna.
La Figura 2 assume una rilevanza particolarmente grande per la valutazione dei modelli climatici. Se un modello simula, per esempio, 0,5 SSW per inverno e una rianalisi sembra mostrarne 0,8, si potrebbe concludere rapidamente che il modello sottostimi la frequenza degli eventi. Tuttavia, questa figura dimostra che una differenza di dimensioni simili può essere ottenuta semplicemente passando da una definizione all’altra all’interno dello stesso dataset NCEP–NCAR. Il confronto tra modelli e osservazioni è quindi scientificamente valido soltanto quando viene applicato esattamente lo stesso algoritmo di identificazione a entrambi. Questa considerazione era già emersa nei lavori di Charlton et al. dedicati alla valutazione dei modelli stratosferici e rimane fondamentale nei più moderni confronti CMIP e negli ensemble di modelli high-top.
Le implicazioni sono altrettanto importanti quando si cercano tendenze associate al cambiamento climatico. Una variazione della frequenza degli SSW nel tempo può essere interpretata soltanto se la definizione rimane perfettamente costante e se il dataset possiede sufficiente omogeneità. Le rianalisi di lungo periodo incorporano infatti profonde modificazioni del sistema osservativo, soprattutto con l’introduzione massiccia dei dati satellitari dalla fine degli anni Settanta. Una metrica particolarmente sensibile ai dettagli spaziali della struttura del vortice potrebbe risentire maggiormente di tali cambiamenti rispetto a un indicatore zonalmente mediato più semplice. Butler et al. insistono quindi implicitamente su un principio generale della climatologia: prima di attribuire una differenza a una variazione fisica del clima è necessario escludere che essa derivi dalla definizione utilizzata o dall’evoluzione del sistema osservativo.
Un altro aspetto scientificamente significativo riguarda il rapporto tra definizione dell’evento e prevedibilità. Gli SSW rappresentano una potenziale fonte di prevedibilità sub-stagionale perché le anomalie stratosferiche possono evolvere più lentamente rispetto alla troposfera e, quando si propagano verso il basso, possono influenzare la circolazione superficiale per settimane. Studi di Domeisen e collaboratori hanno mostrato come una corretta previsione dello stato della stratosfera possa migliorare la capacità dei sistemi numerici di rappresentare alcuni aspetti della variabilità extratropicale su scale temporali estese. Tuttavia, una definizione ottimale per costruire un catalogo climatologico non è necessariamente quella più utile operativamente. Il previsore può essere interessato non soltanto al momento in cui il vento attraversa la soglia dello zero, ma anche alla rapidità della decelerazione, alla struttura verticale dell’anomalia, all’attività ondulatoria precedente, alla persistenza del segnale nella stratosfera inferiore e allo stato contemporaneo della troposfera.
In questo senso, la Figura 2 offre anche una lezione metodologica più generale: un fenomeno atmosferico complesso non può essere descritto completamente da una singola soglia. La soglia è indispensabile quando bisogna catalogare gli eventi, ma la diagnosi fisica richiede una pluralità di indicatori. Il vento zonale informa sull’intensità della circolazione; il geopotenziale descrive la struttura del vortice e del modo anulare; la geometria consente di distinguere split e displacement; le EOF identificano le principali modalità statistiche della variabilità; la struttura verticale aiuta a valutare il potenziale accoppiamento con la troposfera. Queste metriche non sono quindi necessariamente concorrenti: possono essere considerate diagnostiche complementari, ognuna progettata per rispondere a una domanda scientifica diversa.
La Figura 2 rappresenta pertanto molto più di un semplice confronto fra serie temporali. Essa mostra concretamente il problema epistemologico alla base della definizione degli SSW: l’atmosfera varia in maniera continua, mentre la climatologia necessita di categorie discrete. Quando si stabilisce che un evento “è” oppure “non è” un SSW sulla base di una soglia di vento, temperatura o geopotenziale, si introduce necessariamente un elemento convenzionale. Ciò non rende la definizione arbitraria, perché essa può essere solidamente motivata dalla dinamica atmosferica, ma impone di utilizzarla in maniera coerente e trasparente. I valori compresi fra circa 0,46 e 0,81 eventi per inverno riportati nei differenti pannelli dimostrano che la frequenza osservata non costituisce un numero assoluto indipendente dal metodo. La vera robustezza scientifica emerge piuttosto dalla capacità di specificare chiaramente il criterio impiegato, applicarlo uniformemente e integrare la classificazione con diagnostiche capaci di descrivere la struttura dinamica dell’evento.
Nel quadro complessivo dello studio di Butler et al., la Figura 2 fornisce dunque una delle motivazioni più forti per l’adozione di una definizione standardizzata dei grandi SSW nelle applicazioni statistiche. Una simile standardizzazione non dovrebbe eliminare i metodi alternativi, ma fornire una base comune sulla quale costruire confronti affidabili tra osservazioni, rianalisi e modelli. La definizione CP07, con l’inversione del vento zonale medio a 60°N e 10 hPa e regole precise per la separazione degli eventi, ha acquisito questo ruolo proprio grazie al suo equilibrio tra semplicità, significato dinamico e riproducibilità. Le altre diagnostiche rimangono però essenziali per comprendere ciò che quella singola soglia non può raccontare: come il vortice si deforma, quanto profondamente la perturbazione penetra nella stratosfera inferiore, se l’evento è di tipo split o displacement, quanto persistente sia l’anomalia e quale probabilità abbia di comunicare con la troposfera. La Figura 2 sintetizza quindi uno dei principi più importanti della moderna ricerca sulla stratosfera: standardizzare la definizione è necessario per contare gli SSW, ma comprendere gli SSW richiede necessariamente molto più di una definizione.
Sensibilità della classificazione degli SSW alla definizione adottata
La classificazione dei riscaldamenti stratosferici improvvisi rappresenta uno degli aspetti metodologicamente più delicati nello studio della variabilità invernale della stratosfera polare, perché ciò che viene definito come major Sudden Stratospheric Warming dipende in misura non trascurabile dal criterio diagnostico utilizzato, dal livello atmosferico considerato, dalla latitudine scelta, dalla soglia applicata e dallo stato climatologico di fondo del vortice polare. Butler et al. mostrano con particolare chiarezza che questa sensibilità non costituisce un problema marginale, ma può modificare in maniera sostanziale tanto il numero complessivo degli eventi identificati quanto la loro distribuzione temporale. Applicando sette differenti definizioni alla rianalisi NCEP–NCAR per il periodo 1958–2014, gli autori ottengono infatti frequenze comprese fra 0,46 e 0,81 grandi SSW per inverno, mentre soltanto 13 eventi risultano comuni a tutte e sette le definizioni. Questo significa che, a seconda del criterio utilizzato, il catalogo può comprendere fra 26 e 46 eventi nello stesso periodo temporale. La variabilità non riguarda dunque soltanto gli episodi marginali, ma modifica la percezione stessa della climatologia del vortice polare, mostrando quanto sia necessario interpretare con cautela qualsiasi confronto fra studi che adottano definizioni differenti.
La natura del problema deriva innanzitutto dal fatto che gli SSW non costituiscono una popolazione perfettamente separata dal resto della variabilità stratosferica. Il vortice polare attraversa continuamente stati di intensità, forma e posizione differenti, e gli eventi classificati come SSW rappresentano l’estremità più perturbata di questo continuum dinamico. Butler e Gerber hanno successivamente approfondito questo concetto mostrando che non esiste una soglia fisica unica e naturale capace di separare in modo netto un SSW da un forte indebolimento del vortice che rimanga appena al di sopra della soglia convenzionale. Un vento zonale medio di poco positivo a 60°N e 10 hPa può infatti essere associato a una perturbazione dinamica molto simile a quella di un evento nel quale il vento diventa debolmente orientale. La soglia di zero metri al secondo, pur possedendo una chiara giustificazione dinamica, resta pertanto una scelta convenzionale necessaria per costruire una classificazione discreta di un fenomeno intrinsecamente continuo.
La giustificazione fisica della soglia di inversione del vento deriva dai lavori fondamentali di Charney e Drazin e di Matsuno sulla propagazione delle onde planetarie nella stratosfera. Le onde di Rossby quasi stazionarie che si propagano verso l’alto dalla troposfera richiedono un flusso zonale occidentale favorevole; quando il vento medio diventa orientale, la loro propagazione verticale viene fortemente inibita. Durante un grande SSW, il deposito di quantità di moto associato alle onde planetarie rallenta progressivamente il getto polare fino a invertirne la direzione, mentre il livello di rottura delle onde tende a spostarsi verso quote inferiori. Da questo punto di vista la soglia di vento nullo non è puramente statistica: rappresenta un cambiamento qualitativo nelle condizioni di propagazione delle onde. Tuttavia, anche decelerazioni che arrestano il vento a pochi metri al secondo senza produrre una vera inversione possono generare effetti dinamici molto intensi, e proprio per questo resta aperta la questione se alcuni cosiddetti riscaldamenti minori possano produrre conseguenze troposferiche comparabili a quelle dei grandi SSW.
La Figura 2 dello studio evidenzia che una delle principali fonti di sensibilità è la latitudine scelta per diagnosticare l’inversione della circolazione. La definizione CP07, resa popolare da Charlton e Polvani, utilizza il vento zonale medio a 60°N e 10 hPa e produce circa 0,61 eventi per inverno nella rianalisi NCEP–NCAR. Spostando la latitudine appena cinque gradi più a nord, a 65°N, la frequenza aumenta fino a circa 0,77 eventi per inverno. Se invece si considera il vento medio sull’intera regione compresa fra 60° e 90°N, la frequenza raggiunge circa 0,81 eventi per inverno. Queste differenze mostrano che il vortice può subire un collasso molto intenso nella parte più polare della sua struttura senza che l’inversione si estenda necessariamente fino a 60°N. Di conseguenza, un evento può essere classificato come SSW da una diagnostica e non esserlo da un’altra, nonostante entrambe descrivano una perturbazione fisicamente significativa.
Butler et al. interpretano questo comportamento attraverso la struttura dinamica della cosiddetta surf zone, concetto sviluppato nei lavori di McIntyre e Palmer. Alle latitudini subtropicali e medio-alte della stratosfera, la rottura delle onde planetarie può produrre localmente inversioni del flusso che non corrispondono necessariamente a una riorganizzazione coerente dell’intero vortice polare. La distinzione fra inversione locale e inversione coerente diventa quindi cruciale. A nord di circa 60°N, un’inversione del vento a una singola latitudine tende a essere accompagnata da un’inversione anche più a nord, suggerendo che questa fascia si trovi generalmente all’interno della regione dinamicamente coerente del vortice. A sud di 60°N, invece, le inversioni locali diventano più frequenti e possono riflettere processi di rottura ondulatoria nella surf zone senza implicare un vero collasso dell’intero vortice. È proprio per questo motivo che 60°N è stato storicamente considerato un buon compromesso fra sensibilità e significato dinamico.
La questione, tuttavia, non è immutabile nel tempo. La posizione media del margine del vortice polare può variare su scale interannuali, decadali e climatiche. Cambiamenti dello stato di fondo della stratosfera, naturali o antropogenici, possono spostare la separazione fra surf zone e regione coerente del vortice. Le simulazioni HadGEM2-CCS analizzate da Butler et al. suggeriscono, per esempio, che nel clima futuro il margine del vortice possa spostarsi leggermente verso latitudini inferiori, rendendo 60°N una posizione più interna alla regione coerente rispetto alla climatologia storica. Questo risultato ha importanti implicazioni metodologiche: una latitudine che funziona bene come indicatore in un determinato clima potrebbe non possedere esattamente lo stesso significato dinamico in un clima differente.
La sensibilità alla latitudine si intreccia inoltre con il problema dell’omogeneità osservativa delle rianalisi. Butler et al. notano che le definizioni basate sul vento a 60°N identificano pochissimi SSW durante buona parte degli anni Novanta, mentre altre diagnostiche, compresa quella basata su 65°N, riconoscono comunque diversi eventi. Questa discrepanza coincide temporalmente con una forte riduzione del numero di radiosonde disponibili alle alte latitudini dell’Emisfero Settentrionale in seguito al collasso dell’Unione Sovietica e alla contrazione di parte della rete meteorologica dell’ex URSS. Tra 55° e 65°N la perdita di osservazioni fu particolarmente pronunciata. Sebbene le rianalisi assimilino anche dati satellitari e siano quindi meno dipendenti dalle sole radiosonde, la coincidenza temporale solleva il problema della possibile sensibilità di diagnostiche molto localizzate alla densità e alla distribuzione della rete osservativa.
Non è però corretto attribuire automaticamente la scarsità degli SSW degli anni Novanta a un artefatto dei dati. Pawson e Naujokat mostrarono che la stratosfera artica fu effettivamente particolarmente fredda durante una parte importante di quel decennio, mentre Shindell et al. e Manney et al. documentarono un vortice polare mediamente forte. Ciò suggerisce che almeno una parte del segnale rappresenti una caratteristica reale della circolazione. La questione diventa quindi più complessa: una fase climatologica caratterizzata da venti occidentali insolitamente forti rende anche statisticamente più difficile raggiungere la soglia di inversione completa del vento. Una definizione basata sul passaggio attraverso lo zero potrebbe quindi rilevare meno eventi non soltanto perché la variabilità è diminuita, ma perché il punto di partenza climatologico del vortice si trova più lontano dalla soglia.
Questo problema dello stato di fondo rappresenta una delle questioni concettuali più importanti sollevate dallo studio. Se il vortice climatologico diventa progressivamente più debole, una stessa ampiezza di variabilità può produrre più frequentemente inversioni del vento. In questo caso una definizione basata sulla soglia assoluta potrebbe indicare un aumento del numero di SSW anche senza un aumento reale dell’ampiezza delle perturbazioni dinamiche. McLandress e Shepherd evidenziarono proprio questo effetto nelle simulazioni climatiche future: l’aumento della frequenza degli SSW risultava più evidente quando venivano utilizzate definizioni basate sul vento assoluto, mentre risultava molto meno chiaro quando gli eventi venivano identificati tramite anomalie calcolate rispetto alla climatologia contemporanea. Secondo questa interpretazione, una parte dell’aumento futuro potrebbe derivare da un indebolimento climatologico dei venti occidentali stratosferici piuttosto che da un aumento della variabilità del vortice.
Esiste però una seconda interpretazione altrettanto importante. Anche se l’inversione diventa più facile perché il vortice climatologico è più debole, il vento sta comunque effettivamente cambiando segno. Dal punto di vista della dinamica delle onde planetarie, questo cambiamento continua a essere rilevante, perché modifica le condizioni di propagazione delle onde e può alterare la struttura verticale della circolazione. Di conseguenza, un aumento della frequenza delle inversioni non può essere liquidato semplicemente come un artefatto statistico. La differenza tra queste due prospettive riflette una distinzione fondamentale fra “variabilità relativa allo stato medio” e “raggiungimento di una soglia dinamicamente significativa”. Entrambi i concetti sono scientificamente validi, ma rispondono a domande differenti.
L’analogia proposta da Butler et al. con ENSO è particolarmente utile. La NOAA aggiorna periodicamente le climatologie della temperatura superficiale del mare utilizzate per definire gli episodi di El Niño e La Niña, proprio per evitare che il riscaldamento medio degli oceani trasformi artificialmente un trend climatico in un aumento della frequenza degli eventi caldi. Nel caso degli SSW, una strategia analoga potrebbe consistere nel definire gli eventi rispetto a una climatologia mobile o contemporanea. Tuttavia, ciò eliminerebbe in parte il significato dinamico assoluto dell’inversione della circolazione. Questo confronto mostra quanto sia difficile costruire una definizione capace di essere contemporaneamente robusta rispetto ai cambiamenti climatici e fisicamente legata alla dinamica delle onde.
Anche la scelta del livello verticale rappresenta una fonte importante di sensibilità. La maggior parte delle definizioni moderne utilizza 10 hPa, ma il vortice polare è una struttura tridimensionale che si estende dalla stratosfera inferiore fino alla mesosfera. Un forte SSW può iniziare nella media o alta stratosfera e propagarsi progressivamente verso livelli inferiori. Se la diagnostica viene applicata a 10 hPa, l’evento può essere identificato relativamente presto; utilizzando invece 50 hPa o 100 hPa, soltanto gli episodi caratterizzati da una perturbazione sufficientemente profonda vengono inclusi. Le definizioni basate sulle EOF del vento a 50 hPa tendono infatti a produrre frequenze inferiori rispetto alla classica soglia a 10 hPa. Questo aspetto è particolarmente rilevante per gli studi sull’accoppiamento stratosfera-troposfera, perché la persistenza dell’anomalia nella stratosfera inferiore è spesso più strettamente collegata alla risposta troposferica rispetto alla sola intensità del disturbo a quote superiori.
I lavori di Baldwin e Dunkerton hanno fornito una delle prime dimostrazioni robuste del fatto che anomalie stratosferiche intense possono propagarsi verso il basso e precedere modificazioni della troposfera su scale temporali di settimane. Tuttavia, studi successivi, tra cui Karpechko et al., hanno mostrato che non tutti gli SSW producono una chiara risposta superficiale. Alcuni episodi sono caratterizzati da un intenso downward coupling, con anomalie del Northern Annular Mode che penetrano fino alla troposfera e una maggiore probabilità di configurazioni simili alla fase negativa della NAO, mentre altri rimangono prevalentemente confinati alla stratosfera. Questa eterogeneità rende evidente che una definizione costruita per catalogare gli SSW non coincide necessariamente con la metrica più efficace per prevederne gli impatti al suolo.
La scelta fra definizioni assolute e relative diventa quindi fondamentale anche nelle applicazioni modellistiche. Butler et al. confrontano le simulazioni storiche e future di HadGEM2-CCS utilizzando sette diverse definizioni e mostrano che il segnale del cambiamento futuro dipende sensibilmente dal criterio adottato. Le definizioni basate sull’inversione del vento a 60°N o sulla media della calotta polare indicano un aumento statisticamente significativo della frequenza degli SSW nel clima futuro, mentre le diagnostiche basate sulle EOF mostrano cambiamenti molto più deboli o non significativi. Risultati analoghi erano stati ottenuti da McLandress e Shepherd e da Bell et al., mentre altri studi, tra cui Mitchell et al. e Ayarzagüena et al., hanno evidenziato una notevole dipendenza dal modello utilizzato. La letteratura non sostiene quindi una conclusione universale secondo cui il riscaldamento climatico debba necessariamente produrre più SSW; il risultato dipende dalla risposta del vortice polare, dalla rappresentazione delle onde planetarie, dal modello e dalla definizione applicata.
La sensibilità della classificazione alla climatologia di fondo ha inoltre conseguenze importanti per la valutazione dei modelli. Charlton et al. mostrarono che alcuni modelli stratosferici tendevano a simulare troppo pochi SSW rispetto alle rianalisi. Una possibile causa è la presenza di un vortice climatologicamente troppo forte: se i venti occidentali medi sono eccessivi, l’atmosfera simulata deve subire una perturbazione più intensa per raggiungere la soglia di zero. Un modello potrebbe quindi possedere una variabilità stratosferica relativamente realistica ma apparire povero di SSW semplicemente perché il suo stato medio è distorto. Da questo punto di vista, valutare soltanto la frequenza degli eventi può non essere sufficiente; è necessario esaminare contemporaneamente la climatologia del vento zonale, la variabilità, l’attività delle onde planetarie e la struttura del vortice.
La dipendenza dalla soglia statistica è altrettanto importante nelle definizioni basate sulle EOF o sulle anomalie del geopotenziale. Stabilire che un evento debba superare due o tre deviazioni standard è una scelta metodologica che non possiede necessariamente lo stesso fondamento dinamico dell’inversione del vento. Se la distribuzione della variabile cambia nel tempo o presenta deviazioni significative dalla normalità, la frequenza degli eventi estremi può variare in modo non intuitivo. D’altra parte, le definizioni normalizzate rispetto alla propria climatologia possiedono il vantaggio di essere meno sensibili ai cambiamenti dello stato medio e possono quindi risultare più appropriate quando si vuole misurare l’intensità relativa della variabilità.
La scelta fra criteri assoluti e relativi non può dunque essere risolta in maniera universale. Se l’obiettivo è descrivere un cambiamento dinamico specifico, come l’inversione della circolazione stratosferica, una soglia assoluta appare appropriata. Se invece si vuole confrontare quanto un evento sia eccezionale rispetto alla climatologia del periodo in cui si verifica, una soglia normalizzata può essere più informativa. Questo principio generale vale non soltanto per gli SSW ma per numerosi fenomeni climatici estremi e rappresenta uno dei motivi per cui la standardizzazione deve essere accompagnata da una chiara definizione dell’obiettivo scientifico.
Nel complesso, Butler et al. mostrano che la classificazione degli SSW è sensibile almeno a cinque elementi fondamentali: latitudine, quota, soglia del vento, climatologia di riferimento e stato medio della stratosfera. A questi si aggiungono le caratteristiche del dataset, la risoluzione temporale e spaziale, il trattamento degli eventi ravvicinati e la distinzione fra SSW maggiori e riscaldamenti finali. La convergenza di tutte queste fonti di sensibilità spiega perché cataloghi apparentemente autorevoli possano non contenere esattamente gli stessi eventi. L’assenza di completa concordanza non implica necessariamente che uno di essi sia errato; riflette invece il fatto che differenti diagnostiche enfatizzano aspetti diversi dello stesso fenomeno dinamico.
Il contributo più importante della sezione consiste quindi nell’evidenziare che la definizione di un SSW deve essere valutata non soltanto in base alla sua semplicità, ma anche alla sua robustezza fisica e climatologica. La soglia di inversione del vento a 60°N e 10 hPa rimane una scelta particolarmente efficace perché è semplice, riproducibile e collegata alla teoria della propagazione delle onde planetarie. Tuttavia, la sua interpretazione deve tenere conto del fatto che 60°N non è un confine immutabile del vortice, che lo stato medio può cambiare e che eventi molto intensi possono non superare formalmente la soglia. L’uso di diagnostiche complementari basate sulla geometria del vortice, sul geopotenziale, sulle EOF e sulla struttura verticale rappresenta quindi uno strumento indispensabile per verificare quanto un evento sia realmente eccezionale e quale tipo di riorganizzazione dinamica abbia prodotto.
La sensibilità della classificazione degli SSW non rappresenta dunque un limite insormontabile della ricerca stratosferica, ma un richiamo alla necessità di utilizzare criteri trasparenti e coerenti. Per gli studi climatologici e per i confronti tra modelli è essenziale adottare una definizione standardizzata e applicarla uniformemente. Per gli studi dinamici e previsionali, invece, è spesso necessario andare oltre la classificazione binaria e descrivere l’intensità, la durata, la geometria, la profondità verticale e la capacità di accoppiamento troposferico dell’evento. In questa prospettiva, il lavoro di Butler et al. assume un significato più ampio: mostra che una buona definizione non deve soltanto contare gli eventi, ma deve essere consapevole del contesto fisico nel quale viene applicata. Gli SSW sono il risultato di una complessa interazione tra onde planetarie, flusso zonale medio, struttura termica e stato del vortice polare, e nessuna singola soglia può rappresentare integralmente questa complessità. La standardizzazione rimane quindi necessaria per costruire una climatologia comune, ma la comprensione scientifica degli SSW richiede sempre di affiancare alla definizione operativa una diagnosi dinamica più completa dello stato della stratosfera.
Figura 3 – Evoluzione della rete radiosondaggistica, omogeneità delle rianalisi e implicazioni per l’identificazione dei riscaldamenti stratosferici improvvisi
La Figura 3 di Butler et al. rappresenta un passaggio metodologico di notevole importanza nello studio dei riscaldamenti stratosferici improvvisi, poiché affronta un problema che va oltre la semplice definizione dinamica degli SSW e riguarda direttamente la qualità, la continuità e l’omogeneità del sistema osservativo utilizzato per ricostruire la stratosfera del passato. La figura mette infatti in relazione l’evoluzione temporale della rete radiosondaggistica dell’Emisfero Settentrionale con la frequenza degli SSW identificati mediante il criterio di Charlton e Polvani, basato sull’inversione del vento zonale medio a 60°N e 10 hPa. Il suo significato scientifico risiede nel mostrare che una climatologia degli SSW non dipende esclusivamente dalla dinamica atmosferica reale, ma può essere influenzata anche dalla disponibilità delle osservazioni assimilate nelle rianalisi, soprattutto quando la definizione dell’evento si fonda su una specifica latitudine o su una regione spazialmente ristretta. Questo aspetto è particolarmente importante per le analisi che coprono diversi decenni, perché il sistema globale di osservazione dell’atmosfera non è rimasto costante nel tempo: il numero delle radiosonde, la loro distribuzione geografica, la frequenza dei lanci, la disponibilità delle osservazioni satellitari e le tecniche di assimilazione sono cambiate profondamente dalla seconda metà del Novecento a oggi.
Nel pannello superiore della Figura 3 viene rappresentato il numero delle stazioni radiosondaggistiche che effettuano più di 300 profili atmosferici all’anno in differenti fasce latitudinali comprese fra 50° e 90°N. Le barre rosse sovrapposte indicano invece gli SSW identificati utilizzando la definizione CP07. La struttura temporale della rete osservativa è immediatamente evidente: alla fine degli anni Cinquanta e nei primi anni Sessanta il numero delle stazioni era ancora relativamente contenuto, ma aumentò rapidamente nel corso dei decenni successivi, raggiungendo una copertura particolarmente elevata tra gli anni Settanta e Ottanta e nei primi anni Novanta. Dopo questo massimo si verifica una marcata contrazione della rete, particolarmente evidente proprio nelle latitudini comprese fra circa 55° e 65°N. Butler et al. sottolineano che tale riduzione temporale coincide approssimativamente con il periodo durante il quale la definizione basata sull’inversione del vento zonale medio a 60°N identifica pochissimi grandi SSW. La coincidenza non dimostra di per sé una relazione causale, ma solleva una questione metodologica rilevante: quanto può essere sensibile una definizione basata sul vento a una singola latitudine alle modificazioni del sistema osservativo utilizzato per costruire la rianalisi?
Il pannello inferiore permette di approfondire ulteriormente il problema, mostrando il numero delle stazioni radiosondaggistiche operative nella fascia compresa fra 55° e 65°N suddiviso in quattro grandi settori longitudinali. Questa rappresentazione rivela che il declino degli anni Novanta non è geograficamente uniforme. Il cambiamento più marcato interessa infatti il settore eurasiatico centrato approssimativamente attorno a 90°E, dove il numero delle stazioni diminuisce drasticamente rispetto ai valori raggiunti durante gli anni Ottanta. La tempistica di tale riduzione è coerente con la profonda riorganizzazione delle reti meteorologiche avvenuta dopo la dissoluzione dell’Unione Sovietica. Gran parte dell’Eurasia settentrionale disponeva di una rete radiosondaggistica particolarmente estesa, fondamentale per la sorveglianza meteorologica e aerologica delle alte latitudini; la contrazione delle infrastrutture osservative durante gli anni Novanta comportò quindi una perdita significativa di profili atmosferici proprio in una regione prossima alla latitudine utilizzata per definire convenzionalmente gli SSW maggiori.
Questo elemento acquista ulteriore importanza se si considera che un vento zonale “medio” non è una quantità osservata direttamente lungo l’intero parallelo, ma viene ricostruito a partire da osservazioni distribuite irregolarmente nello spazio e successivamente integrate attraverso il sistema di assimilazione del modello di rianalisi. Quando la copertura longitudinale diminuisce in maniera selettiva, specialmente in un settore così vasto come l’Eurasia, la stima della struttura tridimensionale del campo del vento può diventare maggiormente dipendente dal modello numerico utilizzato dall’assimilazione. Ciò non significa che il valore ottenuto sia necessariamente errato, ma implica che la quantità di informazione osservativa indipendente disponibile per vincolare il modello si riduce. Le analisi di lungo periodo devono quindi distinguere tra variabilità atmosferica reale e possibili discontinuità introdotte dall’evoluzione del sistema osservativo.
Questo problema è stato riconosciuto più in generale nella letteratura sulle rianalisi atmosferiche. NCEP–NCAR, ERA-40, ERA-Interim e le generazioni successive utilizzano metodi differenti di assimilazione e incorporano sistemi osservativi che cambiano radicalmente nel tempo. Uppala et al. hanno documentato per ERA-40 l’importanza delle transizioni associate all’introduzione dei dati satellitari, mentre Dee et al. hanno evidenziato come ERA-Interim abbia migliorato numerosi aspetti dell’assimilazione e della rappresentazione della stratosfera. Più recentemente, il progetto SPARC Reanalysis Intercomparison Project, descritto da Fujiwara e collaboratori, ha mostrato quanto sia importante confrontare più rianalisi quando si studiano la stratosfera e la mesosfera, proprio perché differenze nell’assimilazione, nella risoluzione verticale, nella posizione del limite superiore dei modelli e nella quantità di osservazioni disponibili possono produrre divergenze non trascurabili nei campi atmosferici ricostruiti. Il problema è particolarmente rilevante prima dell’era satellitare moderna, quando la stratosfera era vincolata soprattutto dalle radiosonde e da sistemi osservativi molto meno uniformemente distribuiti.
La Figura 3 deve tuttavia essere interpretata con grande cautela, perché Butler et al. non sostengono che la ridotta frequenza degli SSW degli anni Novanta secondo il criterio a 60°N sia semplicemente un artefatto osservativo. Esistono infatti importanti evidenze indipendenti secondo cui la stratosfera artica durante buona parte di quel decennio fu realmente caratterizzata da condizioni particolarmente fredde e da un vortice polare insolitamente intenso. Pawson e Naujokat documentarono la persistenza di inverni freddi nella stratosfera artica durante gli anni Novanta, mentre lavori di Shindell et al. e Manney et al. hanno discusso la notevole intensità e stabilità del vortice polare in quel periodo. Un vortice più forte implica venti occidentali più intensi e, di conseguenza, rende dinamicamente più difficile che la circolazione raggiunga la soglia di zero metri al secondo richiesta per classificare un grande SSW secondo CP07. La relativa assenza di eventi identificati a 60°N potrebbe pertanto riflettere almeno in parte una caratteristica reale dello stato atmosferico.
Proprio qui emerge uno degli aspetti più interessanti della Figura 3: il sistema osservativo e la dinamica reale non devono essere considerati spiegazioni alternative necessariamente incompatibili. È possibile che gli anni Novanta siano stati effettivamente caratterizzati da un vortice più forte e contemporaneamente da una rete osservativa meno densa in alcune regioni cruciali. La climatologia degli SSW osservata nelle rianalisi potrebbe quindi essere il risultato dell’interazione fra una vera anomalia dinamica e una maggiore sensibilità del diagnostico alle condizioni osservative del periodo. Questo è uno dei motivi per cui Butler et al. confrontano numerose definizioni: se una caratteristica appare soltanto con una specifica diagnostica ma non con altre, è necessario chiedersi se ciò rifletta una peculiarità fisica del fenomeno oppure una sensibilità metodologica.
Il confronto con il criterio a 65°N è particolarmente istruttivo. Nella Figura 2, la definizione basata sull’inversione del vento a 65°N identifica diversi SSW negli anni Novanta che non vengono rilevati dal criterio a 60°N. Questa discrepanza suggerisce che il problema non consista semplicemente in una totale incapacità delle rianalisi di rappresentare gli SSW durante quel decennio. Piuttosto, la classificazione sembra sensibile alla latitudine precisa alla quale viene richiesta l’inversione. È possibile che alcuni eventi abbiano prodotto una forte perturbazione e persino un’inversione del vento nelle latitudini più elevate senza estendere il flusso orientale fino a 60°N. In questo caso la differenza sarebbe principalmente dinamica. Tuttavia, il fatto che la riduzione delle radiosonde si concentri proprio nella fascia vicina ai 60°N impone comunque prudenza nell’interpretazione.
L’importanza dei 60°N non è casuale. Come discusso da Butler et al. e sulla base della teoria della dinamica del vortice, questa latitudine si trova approssimativamente vicino al confine medio tra la regione coerente del vortice polare e la cosiddetta surf zone, la fascia nella quale la rottura delle onde planetarie può produrre forti variazioni locali della circolazione. McIntyre e Palmer avevano già mostrato negli anni Ottanta come la rottura delle onde di Rossby nella stratosfera extratropicale produca un’intensa mescolanza della vorticità potenziale e contribuisca alla formazione di una regione dinamicamente distinta dal nucleo del vortice. Pertanto, scegliere 60°N significa collocare il diagnostico in una zona fisicamente significativa, ma anche potenzialmente sensibile agli spostamenti interannuali e decadali del bordo del vortice.
La Figura 3 assume quindi un significato ancora più profondo se collegata alla variabilità della posizione del vortice stesso. Il confine del vortice non è fissato permanentemente a 60°N. Può spostarsi verso il Polo o verso l’equatore a seconda dell’intensità del flusso zonale, dell’attività ondulatoria, della stagione e dello stato climatico di fondo. Una definizione costruita intorno a una latitudine fissa può quindi cambiare sensibilità da un inverno all’altro. Se il vortice è particolarmente compatto e confinato verso il Polo, 60°N può trovarsi relativamente vicino alla surf zone; se il vortice è più esteso, la stessa latitudine può essere pienamente integrata nella circolazione coerente polare. Questo elemento contribuisce a spiegare perché Butler et al. considerino importante verificare la robustezza del criterio rispetto alla scelta latitudinale.
Dal punto di vista dell’osservazione, è inoltre necessario ricordare che le radiosonde rappresentano una delle poche fonti di dati atmosferici verticali diretti disponibili per periodi così lunghi. Prima dell’espansione dell’osservazione satellitare, esse costituivano il principale strumento per determinare la struttura termica e dinamica della troposfera superiore e della bassa-media stratosfera. Le serie radiosondaggistiche possiedono tuttavia problemi noti di omogeneità legati ai cambiamenti di sensore, alle procedure operative, agli algoritmi di correzione della radiazione solare e alla distribuzione spaziale fortemente irregolare. I programmi di omogeneizzazione sviluppati negli ultimi decenni hanno migliorato notevolmente la qualità delle serie climatiche radiosondaggistiche, ma le reti storiche rimangono più dense sulle terre emerse dell’Emisfero Settentrionale e molto più rade sugli oceani e sulle regioni polari.
L’avvento dei satelliti ha profondamente modificato questa situazione. Dalla fine degli anni Settanta, strumenti satellitari capaci di misurare radiativamente le temperature atmosferiche hanno fornito una copertura quasi globale, riducendo la dipendenza delle rianalisi dalle sole osservazioni convenzionali. Tuttavia, anche l’assimilazione satellitare introduce nuove discontinuità: differenti generazioni di sensori entrano ed escono dal sistema osservativo, gli algoritmi di calibrazione vengono aggiornati e il trattamento dei bias varia fra i sistemi di assimilazione. Per questa ragione, l’inizio dell’era satellitare non elimina completamente il problema dell’omogeneità climatica, ma cambia la natura delle sue fonti.
Gli studi di intercomparazione delle rianalisi hanno mostrato che la stratosfera è particolarmente sensibile a tali transizioni. Fujiwara et al., nell’ambito di S-RIP, hanno sottolineato come differenze fra le rianalisi possano emergere nella temperatura, nel vento zonale, nella circolazione residua e in numerosi diagnostici stratosferici. Tali differenze tendono generalmente a diminuire nelle epoche meglio osservate, mentre possono diventare maggiori andando indietro nel tempo. Questo contesto rafforza il messaggio della Figura 3: una climatologia lunga degli SSW deve essere interpretata non soltanto attraverso la dinamica del vortice, ma anche alla luce della storia del sistema globale di osservazione.
Il problema diventa particolarmente importante quando si cercano tendenze decadali. Se, per esempio, una definizione mostra una riduzione della frequenza degli SSW durante gli anni Novanta e un aumento nei primi anni Duemila, sarebbe prematuro interpretare automaticamente tale sequenza come una vera oscillazione climatica senza esaminare contemporaneamente la disponibilità delle osservazioni, l’evoluzione delle rianalisi e il comportamento di diagnostiche alternative. La Figura 3 rappresenta precisamente questo tipo di controllo metodologico. Gli autori cercano di stabilire se la struttura temporale mostrata nella Figura 2 possa essere almeno parzialmente associata a cambiamenti nella rete osservativa.
La presenza di numerosi SSW nei primi anni Duemila nonostante il numero delle radiosonde non recuperi pienamente i valori precedenti costituisce però un importante argomento contro una spiegazione esclusivamente osservativa. Se la perdita delle stazioni fosse sufficiente, da sola, a impedire l’identificazione degli SSW, sarebbe difficile spiegare la ricomparsa di numerosi eventi successivamente. Questo suggerisce che l’atmosfera degli anni Novanta fosse realmente particolare. La riduzione osservativa deve quindi essere considerata un possibile fattore di sensibilità e non la causa unica della bassa frequenza.
In questo contesto emerge anche il concetto di stato climatologico del vortice. Un periodo caratterizzato da venti occidentali mediamente più forti rende statisticamente meno probabile il superamento della soglia di zero utilizzata dalla definizione CP07. Se il vento climatologico medio a 60°N e 10 hPa fosse, ipoteticamente, più intenso di diversi metri al secondo rispetto a un altro periodo, una perturbazione ondulatoria della stessa ampiezza potrebbe non essere sufficiente a invertire il vento. Una climatologia degli SSW costruita esclusivamente sulla soglia assoluta potrebbe quindi interpretare una modificazione dello stato medio come una variazione della frequenza degli eventi estremi. McLandress e Shepherd hanno evidenziato un problema analogo nelle simulazioni climatiche, mostrando che una circolazione climatologica più debole può aumentare il numero di inversioni senza richiedere necessariamente un aumento equivalente della variabilità dinamica.
La Figura 3 deve perciò essere inserita in un problema metodologico più generale: separare il cambiamento della variabilità dal cambiamento dello stato medio e dal cambiamento del sistema osservativo. Questi tre fattori possono produrre segnali simili nelle serie temporali degli SSW. Un aumento degli eventi può derivare da una maggiore ampiezza delle perturbazioni, da un vortice climatologicamente più debole e quindi più vicino alla soglia di inversione, oppure da un miglioramento della capacità osservativa di rilevare determinate strutture. Analogamente, una diminuzione può riflettere un vortice realmente più forte, una modifica della variabilità o una maggiore incertezza osservativa.
Questo problema assume notevole rilevanza anche nella valutazione dei modelli climatici. Se un modello produce un vortice polare climatologicamente troppo intenso, come documentato per alcuni modelli stratosferici delle generazioni precedenti, potrebbe generare un numero apparentemente troppo basso di SSW semplicemente perché il vento deve subire una decelerazione più grande per attraversare la soglia convenzionale. Charlton et al. mostrarono che alcuni modelli simulavano meno eventi rispetto alle rianalisi pur riuscendo a riprodurre molte caratteristiche realistiche degli SSW una volta che questi si verificavano. Valutare la qualità di un modello attraverso la sola frequenza degli eventi è quindi insufficiente: devono essere analizzati contemporaneamente lo stato medio del vortice, la variabilità del vento, l’attività ondulatoria e la struttura verticale della stratosfera.
La stessa logica vale per le rianalisi. Una definizione basata su una media spaziale ampia potrebbe essere meno sensibile a lacune regionali del sistema osservativo, ma può identificare più eventi rispetto a un criterio localizzato. Al contrario, una misura a 60°N possiede un significato dinamico particolarmente chiaro, ma può risultare maggiormente influenzata dalla rappresentazione del campo del vento proprio vicino al margine del vortice. Non esiste quindi un diagnostico completamente privo di compromessi. La robustezza di una climatologia aumenta quando più indicatori indipendenti convergono sullo stesso risultato.
Proprio questa convergenza rappresenta una delle lezioni più importanti derivanti dal lavoro di Butler et al. Se un evento viene identificato contemporaneamente dall’inversione del vento, dall’anomalia del geopotenziale, dalla geometria del vortice e da una forte perturbazione termica, la fiducia nella sua classificazione è elevata. Quando invece soltanto una delle metriche supera la soglia, il caso richiede un’analisi dinamica più dettagliata. Questo approccio è particolarmente importante per i periodi storici nei quali la disponibilità osservativa era più limitata.
La Figura 3 offre quindi una prospettiva complementare alla Figura 2 e alla Tabella 1. La Tabella 1 mostra che le definizioni producono frequenze differenti; la Figura 2 mostra quando queste differenze si manifestano nel tempo; la Figura 3 suggerisce che una parte della loro struttura temporale potrebbe interagire con l’evoluzione della rete osservativa. Insieme, queste analisi dimostrano che una climatologia degli SSW deve essere costruita con grande attenzione metodologica. Non è sufficiente applicare un algoritmo a una lunga rianalisi e considerare automaticamente tutti i decenni equivalenti dal punto di vista osservativo.
Nel complesso, la Figura 3 rafforza quindi il principale messaggio di Butler et al.: la definizione di un riscaldamento stratosferico improvviso deve essere sufficientemente semplice da poter essere applicata uniformemente, ma anche sufficientemente robusta da non risultare eccessivamente vulnerabile alle disomogeneità del sistema osservativo. La significativa diminuzione delle radiosonde nella fascia 55°–65°N durante gli anni Novanta, soprattutto nel settore eurasiatico, coincide con un periodo nel quale la definizione CP07 identifica pochi SSW, ma questa coincidenza deve essere valutata insieme alle evidenze indipendenti di un vortice realmente forte e freddo. Il risultato non permette quindi di attribuire la scarsità degli eventi a un singolo fattore, ma evidenzia la necessità di considerare simultaneamente dinamica, osservazioni e metodologia. È proprio questa cautela che rende la Figura 3 scientificamente importante: essa ricorda che, quando si studia la variabilità stratosferica su scale decadali, non si osserva soltanto l’atmosfera, ma anche la storia degli strumenti e dei sistemi attraverso i quali quell’atmosfera è stata ricostruita.
Figura 4 – Sensibilità della definizione degli SSW alla latitudine e alla soglia del vento zonale: significato dinamico del bordo del vortice polare
La Figura 4 di Butler et al. costituisce uno dei passaggi più importanti dell’intero studio perché affronta direttamente due elementi apparentemente semplici, ma in realtà decisivi, nella definizione operativa dei riscaldamenti stratosferici improvvisi maggiori: la latitudine alla quale deve essere valutata l’inversione della circolazione zonale e la velocità del vento che deve essere considerata come soglia critica per dichiarare l’avvenuto SSW. L’analisi viene effettuata utilizzando ERA-Interim per il periodo 1979–2012 e mostra con grande chiarezza che la classificazione di un SSW non è indipendente dalla geometria del vortice polare e dalla struttura climatologica della circolazione stratosferica. La figura non si limita quindi a verificare la sensibilità statistica di un algoritmo, ma permette di collegare direttamente la definizione degli eventi alla fisica delle onde planetarie, alla posizione del bordo del vortice e alla distinzione tra la regione dinamicamente coerente del vortice stesso e la cosiddetta surf zone, dove la rottura delle onde di Rossby produce un’intensa mescolanza della vorticità potenziale.
Nel pannello (a), Butler et al. mostrano il numero complessivo di SSW identificati in funzione della latitudine alla quale viene richiesto che il vento zonale medio passi da occidentale a orientale, mantenendo una soglia critica pari a zero metri al secondo. Vengono confrontate tre diverse interpretazioni dell’inversione. La prima, indicata dalla curva blu, considera un evento quando il vento scende sotto la soglia in una singola latitudine, senza richiedere che l’inversione interessi anche le regioni poste più a nord. La seconda, rappresentata dalla curva rossa, richiede invece una vera inversione coerente: il vento deve scendere sotto la soglia non soltanto alla latitudine considerata, ma anche a tutte le latitudini più polari entro una determinata finestra temporale. La terza, indicata dalla curva nera tratteggiata, utilizza il vento medio sulla regione compresa fra la latitudine selezionata e 90°N. Questi tre approcci possono apparire equivalenti a prima vista, ma la figura dimostra che producono climatologie significativamente differenti.
Il comportamento della curva blu è particolarmente istruttivo. Alle latitudini relativamente basse, il numero delle inversioni locali è elevato e presenta un massimo intorno alle medie latitudini. Procedendo verso nord, il numero diminuisce fino a raggiungere un minimo approssimativamente nella fascia compresa fra 50° e 60°N, per poi aumentare nuovamente andando verso il Polo. Questa struttura non è casuale. Essa riflette la presenza della surf zone stratosferica, concetto sviluppato nei lavori fondamentali di McIntyre e Palmer negli anni Ottanta. La surf zone è una regione nella quale le onde planetarie di Rossby, propagate dalla troposfera, possono rompersi e mescolare intensamente la vorticità potenziale. In questa zona, la circolazione zonale può subire inversioni locali anche senza che l’intero vortice polare venga realmente destabilizzato. Di conseguenza, se si utilizzasse una latitudine troppo meridionale come criterio diagnostico, si rischierebbe di classificare come SSW maggiore una serie di inversioni locali determinate dalla rottura delle onde, ma prive di una riorganizzazione coerente della circolazione polare.
Questo risultato si collega direttamente alla teoria classica della propagazione delle onde planetarie sviluppata da Charney e Drazin nel 1961. In un’atmosfera stratificata e caratterizzata da un flusso zonale medio, la possibilità che le onde di Rossby si propaghino verticalmente dipende in maniera cruciale dalla velocità e dalla direzione del vento di fondo. Le onde planetarie quasi stazionarie possono propagarsi verso l’alto soltanto all’interno di un determinato intervallo di venti occidentali. Quando il flusso diventa orientale, la propagazione verticale viene fortemente impedita. Durante un SSW, l’interazione fra onde e flusso medio determina quindi una forte decelerazione del getto stratosferico e, nei casi più intensi, la sua inversione. La rottura delle onde e il deposito di quantità di moto alterano profondamente la struttura del vortice, ma il luogo in cui questi processi avvengono ha un’importanza essenziale per distinguere una perturbazione locale da un vero collasso della circolazione polare.
Il confronto tra la curva blu e quella rossa rende questo concetto particolarmente evidente. A sud di circa 60°N, le inversioni locali sono molto più numerose di quelle coerenti. Questo significa che la semplice comparsa di venti orientali a una determinata latitudine non garantisce che l’intero vortice polare stia invertendo la propria circolazione. A nord di circa 60°N, invece, le due curve tendono rapidamente ad avvicinarsi fino a diventare quasi sovrapposte. In questa regione, quando il vento cambia segno a una latitudine, è altamente probabile che l’inversione interessi anche le latitudini più polari. Questo comportamento suggerisce che 60°N si trovi climatologicamente in prossimità del limite tra la surf zone e la regione dinamicamente coerente del vortice.
Da questo punto di vista, la scelta tradizionale dei 60°N acquista una giustificazione fisica molto più robusta di quanto potrebbe apparire in una semplice definizione convenzionale. La latitudine non è stata scelta soltanto perché facilmente disponibile nei dataset o perché storicamente adottata dalla WMO e successivamente da Charlton e Polvani, ma si trova in una zona che separa, in media, due regimi dinamici differenti. Da un lato vi è la regione extratropicale in cui le onde possono produrre inversioni locali della circolazione senza coinvolgere tutto il vortice; dall’altro vi è la regione polare nella quale l’inversione tende a essere molto più coerente e rappresentativa di una trasformazione complessiva del vortice stesso.
Questa interpretazione si collega anche alla struttura della vorticità potenziale. Il vortice polare stratosferico è caratterizzato da un nucleo con elevata vorticità potenziale e da forti gradienti lungo il proprio margine. Tale gradiente agisce come una barriera dinamica che limita la mescolanza tra l’aria interna al vortice e quella esterna. I lavori di McIntyre e Palmer, seguiti da numerosi studi successivi sulla dinamica della stratosfera, hanno mostrato come la rottura delle onde all’esterno del vortice produca un’intensa redistribuzione della vorticità potenziale nella surf zone, mentre il nucleo polare può mantenere una struttura relativamente coerente fino a quando il forcing ondulatorio non diventa sufficientemente intenso. Il minimo delle inversioni locali osservato nei pressi di 50°–60°N può quindi essere interpretato come una firma statistica della transizione tra queste regioni.
La curva nera tratteggiata introduce però un’ulteriore complessità. In questo caso non viene valutato il vento a una singola latitudine né viene richiesta un’inversione a tutte le latitudini più polari; viene invece considerato il vento medio sull’intera calotta compresa tra la latitudine scelta e il Polo. Attorno ai 60°N, questo criterio produce un numero di SSW notevolmente superiore rispetto alle curve locale e coerente. Butler et al. stimano che l’utilizzo della media 60°–90°N possa identificare circa il 30% di eventi in più rispetto al semplice criterio del vento a 60°N. Questa differenza ha una notevole rilevanza storica perché mostra come una frase apparentemente semplice, come “i venti medi a nord di 60°N diventano orientali”, possa essere interpretata in modi diversi. Se si considera la media areale, una forte inversione nella regione più polare può rendere negativo il valore complessivo anche se una parte del dominio mantiene ancora venti occidentali. Se invece si richiede la coerenza latitudinale, l’intero settore deve passare a una configurazione orientale.
Questo problema interpretativo è uno degli elementi che Butler et al. utilizzano per mostrare l’ambiguità di alcune formulazioni storiche della definizione WMO. La definizione di McInturff del 1978 parlava di un’inversione della circolazione a nord di 60°N, ma non sempre la letteratura successiva ha interpretato questo requisito nello stesso modo. Il lavoro di Charlton e Polvani del 2007 ha contribuito enormemente a ridurre tale ambiguità scegliendo un criterio semplice e facilmente riproducibile: il vento zonale medio a 60°N e 10 hPa deve diventare orientale. La Figura 4 mostra però che questa semplificazione non elimina completamente il problema fisico, perché il vortice è una struttura tridimensionale e il suo margine non coincide rigidamente con una singola latitudine.
La posizione del bordo del vortice varia infatti durante l’inverno, da un anno all’altro e in risposta alle perturbazioni ondulatorie. Studi basati sulla vorticità potenziale, tra cui quelli di Waugh, Randel, Nash e collaboratori, hanno mostrato che il margine del vortice può essere identificato attraverso il massimo gradiente di vorticità potenziale e che la sua latitudine varia considerevolmente con la stagione e con lo stato dinamico della stratosfera. Durante un vortice molto intenso e compatto, il bordo può trovarsi più vicino al Polo; durante un vortice disturbato o più esteso, può spostarsi verso latitudini inferiori. Ciò significa che 60°N rappresenta una posizione climatologicamente utile, ma non necessariamente coincide con il bordo reale del vortice in ogni singolo giorno o inverno.
Questo aspetto è stato ulteriormente discusso da Butler e Gerber nella loro analisi sull’ottimizzazione della definizione degli SSW. Gli autori hanno mostrato che non esiste una singola combinazione di latitudine e soglia capace di separare perfettamente tutti gli eventi dinamicamente significativi dal resto della variabilità. Tuttavia, il tradizionale criterio basato sui 60°N e 10 hPa si colloca all’interno di una regione dello spazio dei parametri nella quale gli eventi identificati presentano caratteristiche dinamiche relativamente robuste. Questo risultato fornisce una conferma importante alla scelta storica, pur sottolineando che essa rappresenta un compromesso e non una discontinuità fisica assoluta.
Il pannello (b) della Figura 4 affronta invece la sensibilità alla soglia della velocità del vento, mantenendo fissa la latitudine a 60°N. Questo esperimento è particolarmente importante perché la definizione CP07 utilizza come soglia critica esattamente zero metri al secondo. In pratica, un SSW maggiore viene formalmente identificato quando il vento zonale medio passa da occidentale a orientale. La figura mostra come cambi il numero totale degli eventi quando questa soglia viene spostata verso valori più negativi o positivi.
Per valori fortemente negativi, il numero degli eventi diminuisce drasticamente. È un risultato intuitivo: richiedere non soltanto un’inversione, ma anche venti orientali molto intensi, significa selezionare esclusivamente i riscaldamenti più estremi. Molti SSW producono infatti un’inversione della circolazione relativamente debole o temporanea e non raggiungono valori orientali molto negativi. Rendendo progressivamente meno severa la soglia, il numero degli eventi aumenta.
La caratteristica forse più sorprendente del pannello (b) è però la relativa stabilità della frequenza quando la soglia viene modificata fra circa zero e valori positivi dell’ordine di alcuni metri al secondo. Butler et al. osservano che, tra circa zero e 10 m/s, la frequenza degli SSW non cambia in maniera particolarmente drastica. Questo significa che molti eventi caratterizzati da una forte decelerazione del vortice tendono comunque a raggiungere valori del vento molto vicini allo zero o a superarlo, mentre non esiste una grandissima popolazione di episodi che si arrestano appena sopra la soglia.
Dal punto di vista dinamico, la scelta di zero metri al secondo rimane quindi particolarmente convincente. Secondo la teoria di Charney e Drazin e l’interpretazione dei livelli critici introdotta da Matsuno, una volta che il flusso diventa orientale le onde planetarie stazionarie non possono più propagarsi attraverso quella regione. La comparsa di venti orientali rappresenta pertanto un cambiamento qualitativo nelle proprietà di propagazione delle onde. Durante la fase di sviluppo dell’SSW, il flusso di attività ondulatoria proveniente dalla troposfera rallenta il vortice, mentre l’inversione del vento crea una barriera alla propagazione ulteriore verso l’alto. Le onde tendono quindi a depositare la propria attività a livelli progressivamente inferiori, favorendo quella propagazione discendente delle anomalie della circolazione che costituisce una delle caratteristiche più importanti dell’evoluzione post-SSW.
Matsuno, nel suo lavoro del 1971, fornì una delle prime descrizioni teoriche complete di questo processo, interpretando i riscaldamenti stratosferici come il risultato della propagazione e della dissipazione delle onde planetarie nella stratosfera. La decelerazione del flusso zonale indotta dalle onde produce una circolazione meridiana con subsidenza polare; l’aria che scende si comprime e si riscalda adiabaticamente, generando il rapido aumento delle temperature che caratterizza l’evento. L’inversione del vento non rappresenta quindi semplicemente una soglia statistica comoda, ma una manifestazione diretta della trasformazione dinamica del sistema.
Ciò non significa però che un evento debba essere considerato fisicamente irrilevante se il vento si arresta a pochi metri al secondo senza attraversare lo zero. Questo è uno dei problemi concettuali più interessanti sollevati da Butler et al. Un vortice che decelera, per esempio, da valori molto elevati a 2 o 3 m/s può aver subito una perturbazione dinamica enorme, ma non viene classificato come SSW maggiore secondo il criterio standard. La differenza fra un vento di +1 m/s e uno di −1 m/s può essere molto piccola dal punto di vista energetico e dinamico, pur determinando una classificazione completamente differente.
Questa considerazione è particolarmente importante negli studi sugli impatti troposferici. Baldwin e Dunkerton hanno mostrato che gli effetti al suolo degli eventi stratosferici dipendono dalla persistenza e dalla propagazione verso il basso delle anomalie, non semplicemente dal fatto che il vento abbia attraversato formalmente la soglia dello zero. Studi successivi di Charlton-Perez, Gerber, Karpechko, Domeisen e altri autori hanno confermato che gli SSW presentano una notevole diversità nella risposta troposferica. Alcuni eventi sono seguiti da una chiara propagazione negativa del Northern Annular Mode verso la troposfera e da una maggiore probabilità di una configurazione NAO negativa; altri rimangono invece largamente confinati alla stratosfera.
Karpechko et al. hanno mostrato in particolare che soltanto una parte degli SSW presenta un robusto downward coupling. Questo risultato implica che la classificazione maggiore/minore basata esclusivamente sulla soglia di zero non coincide necessariamente con la classificazione più utile per prevedere l’impatto superficiale. Un evento che resta appena sopra lo zero ma produce un’anomalia intensa e persistente nella stratosfera inferiore potrebbe, in alcune circostanze, avere effetti troposferici comparabili o persino superiori a quelli di un SSW che supera brevemente la soglia ma recupera rapidamente.
La Figura 4 evidenzia quindi una distinzione concettuale fondamentale tra definizione climatologica e diagnosi dinamica. Per costruire un catalogo di eventi e confrontare osservazioni e modelli è necessario adottare una soglia precisa. La soglia di zero metri al secondo offre il vantaggio di essere semplice, riproducibile e fisicamente motivata. Per comprendere invece l’effettiva intensità e le conseguenze di un singolo episodio, è preferibile considerare una serie più ampia di variabili: intensità della decelerazione, durata dei venti orientali, profondità verticale dell’anomalia, geometria del vortice, flussi di calore associati alle onde planetarie, struttura della vorticità potenziale e propagazione verso la stratosfera inferiore.
Il confronto tra i due pannelli suggerisce inoltre che la classificazione degli SSW è più sensibile alla scelta della latitudine che a piccoli cambiamenti della soglia vicini allo zero. Spostare il criterio di pochi gradi può modificare notevolmente il numero degli eventi, soprattutto se si entra nella surf zone o ci si allontana dal bordo climatologico del vortice. Modificare invece la soglia da zero a pochi metri al secondo positivi produce variazioni relativamente più contenute. Questo risultato rafforza la particolare importanza della geometria spaziale della definizione.
La figura assume anche un valore importante per gli studi sul cambiamento climatico. Se il bordo del vortice polare dovesse spostarsi sistematicamente verso l’equatore o verso il Polo in risposta a cambiamenti della circolazione stratosferica, il significato climatologico dei 60°N potrebbe cambiare. Butler et al. esplorano questo problema nella successiva Figura 5 attraverso simulazioni HadGEM2-CCS, mostrando che la relazione fra 60°N, surf zone e regione coerente del vortice può modificarsi in un clima futuro. Ciò implica che una definizione apparentemente stabile nel clima contemporaneo potrebbe acquisire una diversa sensibilità se lo stato medio della stratosfera cambiasse significativamente.
Anche il problema dello stato di fondo del vortice è strettamente collegato alla Figura 4. Una climatologia caratterizzata da venti occidentali più deboli rende più semplice attraversare la soglia dello zero, mentre un vortice climatologicamente più forte richiede perturbazioni più intense per produrre un’inversione. McLandress e Shepherd hanno evidenziato come questo effetto possa influenzare la frequenza futura degli SSW nei modelli climatici: un aumento degli eventi identificati con criteri basati sul vento assoluto può derivare almeno in parte da una modifica dello stato climatologico medio, non necessariamente da un incremento della variabilità delle perturbazioni.
In questo senso, la Figura 4 anticipa un problema che diventerà centrale nell’interpretazione delle proiezioni climatiche: bisogna distinguere fra un aumento della frequenza delle inversioni e un aumento dell’intensità della variabilità stratosferica. I due fenomeni non sono necessariamente equivalenti. Se il vortice medio si indebolisce, la soglia dello zero viene raggiunta più frequentemente anche a parità di ampiezza delle anomalie. Tuttavia, dal punto di vista della propagazione delle onde, ogni inversione continua a rappresentare un cambiamento dinamicamente reale e potenzialmente importante.
Nel complesso, la Figura 4 fornisce una giustificazione particolarmente solida alla definizione convenzionale moderna degli SSW maggiori, ma allo stesso tempo ne espone con chiarezza i limiti. I 60°N rappresentano una scelta ragionevole perché si trovano approssimativamente vicino al margine climatologico del vortice coerente e riducono la probabilità di confondere inversioni locali nella surf zone con veri collassi della circolazione polare. La soglia di zero metri al secondo è giustificata perché corrisponde al passaggio da venti occidentali a orientali e quindi a una trasformazione sostanziale delle condizioni di propagazione delle onde planetarie. Tuttavia, né la latitudine né la soglia devono essere interpretate come confini naturali immutabili. Il bordo del vortice varia nello spazio e nel tempo, mentre la risposta dinamica dell’atmosfera evolve continuamente attraverso stati che non sono separati da discontinuità nette.
Il valore scientifico della Figura 4 consiste precisamente nell’evidenziare questa apparente contraddizione. Per studiare statisticamente gli SSW è necessario imporre una classificazione discreta, mentre il sistema atmosferico sottostante è continuo. La soluzione proposta implicitamente da Butler et al. non consiste nell’abbandonare la definizione standard, ma nel riconoscerne la funzione e i limiti. Il criterio dei 60°N e zero metri al secondo rimane uno strumento eccellente per costruire climatologie coerenti, confrontare rianalisi e valutare modelli. La comprensione fisica degli eventi richiede però di andare oltre tale soglia, analizzando contemporaneamente onde planetarie, vorticità potenziale, struttura tridimensionale del vortice, intensità e durata della decelerazione e propagazione verso il basso. In questa prospettiva, la Figura 4 rappresenta uno dei risultati concettualmente più importanti dello studio: mostra che una definizione può essere fisicamente ben motivata senza essere assoluta, e che la standardizzazione necessaria alla climatologia deve sempre essere accompagnata da una lettura dinamica più completa del vortice polare stratosferico.
Figura 5 – Cambiamento climatico, stato medio del vortice polare e dipendenza della frequenza degli SSW dalla definizione adottata
La Figura 5 di Butler et al. affronta uno dei problemi più delicati nell’interpretazione climatologica dei riscaldamenti stratosferici improvvisi, mostrando che una variazione futura della frequenza degli SSW non può essere interpretata correttamente senza considerare simultaneamente la definizione utilizzata, l’evoluzione dello stato medio del vortice polare e la posizione latitudinale della regione in cui viene diagnosticata l’inversione della circolazione. Gli autori utilizzano le simulazioni del modello climatico HadGEM2-CCS per confrontare un periodo storico, compreso fra il 1860 e il 2005, con una simulazione futura estesa dal 2006 al 2099. Nel pannello (a) viene applicata la definizione di Charlton e Polvani basata sull’inversione locale del vento zonale medio a differenti latitudini, mentre nel pannello (b) vengono confrontate sette differenti definizioni degli SSW, già introdotte nella Tabella 1. La figura è particolarmente importante perché dimostra che un aumento degli SSW nel clima futuro può emergere chiaramente utilizzando alcune metriche e risultare invece molto debole, o persino assente, quando gli stessi dati vengono analizzati con definizioni differenti. Non si tratta semplicemente di un problema statistico: questa divergenza riflette il fatto che le diverse definizioni misurano proprietà fisiche differenti della stratosfera. Nel pannello (a), la curva della simulazione storica mostra una marcata struttura latitudinale, con frequenze relativamente elevate alle latitudini più basse considerate, una diminuzione verso circa 50°–55°N e un nuovo aumento procedendo verso il Polo. Questa forma ricorda molto da vicino quella ottenuta nella Figura 4 dalle rianalisi ERA-Interim e costituisce un’indicazione importante della capacità del modello di riprodurre qualitativamente la distinzione tra la surf zone delle medie latitudini e la regione più coerente del vortice polare. Nella surf zone, come discusso nei lavori classici di McIntyre e Palmer, la rottura delle onde planetarie produce un’intensa mescolanza della vorticità potenziale e può generare inversioni locali del vento che non implicano necessariamente un collasso coerente dell’intero vortice. Procedendo verso le alte latitudini, invece, un’inversione del vento diventa progressivamente più rappresentativa di una perturbazione globale della circolazione polare. Il minimo della frequenza osservato fra circa 50° e 55°N può quindi essere interpretato come una firma statistica della transizione fra questi due regimi dinamici. La scelta tradizionale di 60°N, adottata nella definizione CP07, si colloca non lontano da questa regione di transizione ed è proprio questo uno degli elementi che ne giustificano l’utilizzo come latitudine di riferimento. Tuttavia, il confronto tra la curva storica e quella futura mostra che questa struttura non rimane perfettamente invariata. Nella simulazione futura, il minimo tende a spostarsi leggermente verso latitudini più basse, mentre a nord di circa 55°N il numero medio di inversioni aumenta. In termini dinamici, Butler et al. interpretano questo comportamento come un possibile spostamento verso l’equatore della separazione tra surf zone e regione coerente del vortice. Se nel clima storico 60°N rappresenta grosso modo il margine climatologico del vortice polare coerente, nella simulazione futura questa stessa latitudine potrebbe trovarsi più chiaramente all’interno della regione dominata dalla circolazione polare. Tale risultato possiede una conseguenza metodologica molto importante: una definizione basata su una latitudine geografica fissa può non conservare esattamente lo stesso significato dinamico quando cambia la climatologia del vortice. Il problema non riguarda soltanto 60°N, ma più in generale tutte le definizioni climatiche che utilizzano soglie assolute in presenza di uno stato medio capace di evolvere nel tempo. Il pannello (b) rende questa questione ancora più evidente. Le barre verdi rappresentano la frequenza media degli SSW nella simulazione storica, mentre quelle viola rappresentano il periodo futuro. Utilizzando CP07, cioè l’inversione del vento zonale medio a 60°N e 10 hPa, il modello produce un incremento evidente della frequenza futura. Un aumento analogo, e anche piuttosto pronunciato, compare utilizzando U6090, cioè il vento medio sulla calotta polare compresa tra 60° e 90°N. Butler et al. sottolineano che per queste definizioni l’aumento raggiunge il livello di significatività statistica adottato nello studio. Tuttavia, passando alle diagnostiche basate sulle anomalie del geopotenziale o sulle funzioni ortogonali empiriche, il cambiamento futuro diventa molto più piccolo. In alcuni casi le frequenze storiche e future sono quasi indistinguibili. Questo contrasto rappresenta il cuore interpretativo della figura, perché mostra che la conclusione “gli SSW aumentano nel clima futuro” non può essere considerata indipendente dalla metrica utilizzata. Una definizione basata su una soglia assoluta del vento e una definizione basata su anomalie normalizzate rispetto alla climatologia non rispondono infatti alla stessa domanda. La prima stabilisce quante volte la circolazione attraversa un valore fisico preciso, mentre la seconda determina quanto spesso si verifichino anomalie eccezionali rispetto allo stato climatico contemporaneo. Questa distinzione era già stata evidenziata in maniera particolarmente chiara da McLandress e Shepherd, i quali mostrarono nelle simulazioni climatiche che la frequenza degli SSW poteva aumentare quando gli eventi venivano definiti attraverso l’inversione assoluta del vento, mentre il segnale risultava molto meno evidente utilizzando anomalie rispetto alla climatologia corrente. La loro interpretazione era che un indebolimento dei venti occidentali climatologici nella stratosfera polare rendesse semplicemente più facile raggiungere la soglia di zero metri al secondo. Se il vortice parte da uno stato medio più debole, una perturbazione di ampiezza uguale a quella del clima storico può attraversare più facilmente lo zero, generando più eventi secondo la definizione CP07 senza che l’ampiezza statistica della variabilità debba necessariamente aumentare. Questo punto è essenziale per interpretare correttamente il pannello (b). Un incremento futuro del numero di inversioni può riflettere almeno due processi distinti: una maggiore frequenza o intensità delle perturbazioni dinamiche oppure un cambiamento dello stato medio che rende la soglia più facilmente raggiungibile. Le due possibilità non sono equivalenti dal punto di vista climatologico, anche se entrambe possono produrre più episodi formalmente classificati come SSW. Butler et al. richiamano a questo proposito un’analogia molto utile con ENSO. Nella classificazione di El Niño, la climatologia della temperatura superficiale del mare viene periodicamente aggiornata affinché il riscaldamento climatico medio dell’oceano non venga interpretato automaticamente come un aumento della frequenza degli episodi caldi. Applicare un ragionamento analogo alla stratosfera significherebbe valutare gli SSW rispetto a uno stato climatologico che cambia nel tempo. Tuttavia, questa strategia comporterebbe una perdita di una parte del significato dinamico associato all’inversione assoluta della circolazione. La soglia di zero metri al secondo non è infatti soltanto una convenzione statistica. I lavori fondamentali di Charney e Drazin sulla propagazione verticale delle onde planetarie e la teoria di Matsuno sui grandi riscaldamenti stratosferici mostrano che il passaggio da venti occidentali a orientali modifica in modo fondamentale le condizioni di propagazione delle onde di Rossby quasi stazionarie. Quando il vento diventa orientale, tali onde non possono più propagarsi normalmente verso quote superiori, con importanti conseguenze per il deposito di quantità di moto, la rottura delle onde e la successiva evoluzione verticale della perturbazione. Di conseguenza, anche se un aumento degli SSW fosse dovuto principalmente a un vortice climatologicamente più debole, ogni inversione continuerebbe a rappresentare un evento dinamicamente reale. Questo è il motivo per cui esistono due interpretazioni scientificamente legittime. Secondo la prima, per analizzare la variabilità climatica bisogna rimuovere il cambiamento dello stato medio e concentrarsi sulle anomalie relative; secondo la seconda, è importante contare quante volte la circolazione attraversa una soglia dinamica fisicamente significativa, indipendentemente dal motivo per cui tale attraversamento sia diventato più frequente. Il pannello (b) mostra precisamente come queste due prospettive possano produrre risultati diversi senza essere necessariamente in contraddizione. Le definizioni EOFZ ed EOFU, basate su modalità statistiche della variabilità, tendono a essere meno sensibili allo spostamento dello stato medio, perché l’evento viene valutato rispetto alla distribuzione climatologica. CP07 e U6090 mantengono invece una soglia assoluta e risultano quindi direttamente sensibili alla climatologia del vento. Anche la diagnostica MOM, basata sulla geometria del vortice, presenta una risposta futura relativamente modesta, sottolineando ancora una volta che un aumento delle inversioni non implica necessariamente un aumento equivalente delle deformazioni geometriche estreme del vortice. La letteratura modellistica sviluppatasi attorno a questo problema ha mostrato risultati non completamente uniformi. Butchart et al. e Scaife et al. avevano già analizzato possibili cambiamenti della circolazione stratosferica in condizioni climatiche future, mentre McLandress e Shepherd e successivamente Bell et al. trovarono in alcuni modelli un aumento della frequenza degli SSW identificati tramite il vento zonale. Al contrario, Mitchell et al. e Ayarzagüena et al. evidenziarono una notevole dipendenza dal modello e dal metodo di classificazione. Ne deriva che il risultato mostrato da HadGEM2-CCS non deve essere trasformato in una previsione universale secondo cui il riscaldamento globale produrrà necessariamente più SSW. La risposta futura del vortice polare dipende infatti da numerosi meccanismi concorrenti. L’aumento dei gas serra tende a raffreddare la stratosfera radiativamente, ma contemporaneamente può modificare la circolazione di Brewer–Dobson, la struttura dei venti zonali, i gradienti meridionali di temperatura e la propagazione delle onde planetarie. Anche l’evoluzione dell’ozono stratosferico, il comportamento della QBO e i cambiamenti nella troposfera possono influenzare il vortice. Il risultato finale dipende dalla capacità di ciascun modello di simulare correttamente queste interazioni. HadGEM2-CCS è particolarmente utile perché rappresenta esplicitamente una stratosfera relativamente ben risolta e consente quindi di investigare l’accoppiamento verticale, ma rimane comunque un singolo modello e non può essere assunto come descrizione definitiva della risposta futura del sistema atmosferico. Il pannello (a) possiede inoltre una rilevanza particolare perché mostra che il cambiamento climatico potrebbe modificare non soltanto la frequenza degli eventi ma anche la struttura latitudinale della circolazione in cui tali eventi vengono definiti. Un leggero spostamento equatoriale della regione di minima frequenza delle inversioni suggerisce una riorganizzazione del rapporto fra vortice coerente e surf zone. Questo elemento potrebbe avere conseguenze anche sull’interazione onde-flusso medio. Se il margine del vortice cambia posizione, cambia anche la regione nella quale le onde planetarie tendono a rompersi e a depositare quantità di moto. In linea teorica, questo potrebbe modificare sia la probabilità di innescare un SSW sia la sua struttura spaziale. È quindi possibile che la stessa soglia applicata a una latitudine fissa campioni regimi dinamici leggermente diversi nel clima storico e futuro. La Figura 5 si collega direttamente anche al problema della valutazione dei modelli climatici. Charlton et al. avevano mostrato che alcuni modelli stratosferici simulavano una frequenza degli SSW inferiore a quella osservata. Una parte di questa sottostima può dipendere da un vortice climatologicamente troppo forte. Se i venti medi sono eccessivamente occidentali, è necessaria una perturbazione molto più intensa per attraversare la soglia dello zero; il modello può quindi possedere una variabilità significativa ma produrre pochi SSW secondo CP07. All’opposto, un modello con un vortice climatologicamente troppo debole può produrre troppi eventi. Questo significa che la frequenza degli SSW non può essere utilizzata isolatamente come indicatore della qualità di un modello. Deve essere valutata insieme alla climatologia del vento zonale, alla varianza, alla distribuzione delle anomalie, ai flussi d’onda e alla struttura del vortice. Il problema diventa ancora più rilevante quando si analizzano le conseguenze troposferiche degli SSW. I lavori di Baldwin e Dunkerton hanno dimostrato che intense anomalie stratosferiche possono propagarsi verso il basso e influenzare la circolazione troposferica per settimane, spesso favorendo configurazioni statisticamente associate alla fase negativa del Northern Annular Mode e della NAO. Tuttavia, la letteratura successiva, compresi gli studi di Karpechko e collaboratori, ha chiarito che non tutti gli SSW presentano una robusta propagazione verso il basso. Alcuni eventi producono un forte e persistente segnale nella stratosfera inferiore e nella troposfera, mentre altri rimangono in gran parte confinati ai livelli superiori. Per questa ragione, un eventuale aumento futuro del numero di eventi CP07 non può essere tradotto automaticamente in un aumento proporzionale degli impatti meteorologici superficiali. La frequenza delle inversioni rappresenta soltanto il primo livello della diagnosi. Bisogna poi considerare durata, intensità, struttura verticale, tipo di evento, stato della troposfera e capacità della perturbazione di raggiungere la stratosfera inferiore. Studi più recenti sulla prevedibilità sub-stagionale hanno ulteriormente rafforzato questa distinzione, mostrando che il beneficio previsionale associato agli SSW dipende soprattutto dalla persistenza del segnale e dalla sua propagazione verso il basso. Domeisen e collaboratori hanno evidenziato come la stratosfera possa fornire una fonte importante di prevedibilità su scale di diverse settimane, ma tale potenziale varia notevolmente da un evento all’altro. Un clima futuro con un numero maggiore di inversioni non sarebbe necessariamente caratterizzato da un aumento equivalente degli eventi capaci di influenzare efficacemente la superficie. La Figura 5 deve inoltre essere interpretata alla luce dello scenario climatico utilizzato nello studio. HadGEM2-CCS viene integrato nel periodo futuro secondo uno scenario ad elevate concentrazioni di gas serra, e pertanto il risultato rappresenta la risposta del modello a una specifica traiettoria di forcing. Non descrive inevitabilmente l’evoluzione reale del XXI secolo. Il valore dello studio risiede soprattutto nel mostrare il principio metodologico secondo cui il segnale climatico degli SSW può cambiare a seconda della definizione, non nel fornire un numero definitivo sulla loro futura frequenza. Da questo punto di vista, la Figura 5 completa idealmente le Figure 2 e 4. La Figura 2 mostrava che differenti definizioni applicate allo stesso periodo storico producono climatologie differenti; la Figura 4 mostrava perché latitudine e soglia influenzino la classificazione; la Figura 5 dimostra che queste differenze diventano ancora più importanti quando cambia lo stato climatico di fondo. Una definizione può produrre un forte trend mentre un’altra, applicata agli stessi dati, può mostrare quasi nessun cambiamento. Questo risultato implica che qualsiasi affermazione sulle tendenze future degli SSW dovrebbe sempre riportare in modo esplicito quale diagnostica sia stata utilizzata. La figura pone quindi una questione generale che va oltre gli SSW: quando il clima cambia, come devono essere definiti gli eventi estremi? Se si utilizzano soglie assolute, si misura quanto frequentemente il sistema attraversa un valore fisicamente specifico; se si utilizzano soglie relative, si misura quanto frequentemente il sistema raggiunge condizioni eccezionali rispetto al proprio clima contemporaneo. Entrambi gli approcci sono validi, ma rispondono a domande differenti. Nel caso degli SSW, la soglia assoluta possiede un vantaggio particolare perché il cambiamento di segno del vento modifica la dinamica delle onde planetarie. Allo stesso tempo, le metriche relative permettono di distinguere più chiaramente tra cambiamento dello stato medio e cambiamento della variabilità. La soluzione più robusta non consiste quindi nel scegliere una sola prospettiva ed escludere l’altra, ma nel considerarle insieme. Un’analisi completa del clima futuro della stratosfera dovrebbe valutare contemporaneamente la frequenza delle inversioni assolute, l’intensità delle anomalie relative, la geometria del vortice, la propagazione delle onde planetarie, la struttura verticale delle perturbazioni e la capacità degli eventi di influenzare la troposfera. In definitiva, la Figura 5 rappresenta uno dei risultati concettualmente più importanti di Butler et al. perché mostra che il cambiamento futuro della frequenza degli SSW non può essere interpretato correttamente senza considerare l’evoluzione del vortice polare stesso. Nel modello HadGEM2-CCS, le definizioni basate sull’inversione assoluta del vento indicano un aumento degli SSW nel clima futuro e suggeriscono un leggero spostamento verso l’equatore del confine dinamico tra surf zone e vortice coerente. Tuttavia, le diagnostiche basate sulle anomalie rispetto alla climatologia mostrano cambiamenti molto più modesti. Una parte del segnale futuro può quindi derivare dal fatto che un vortice climatologicamente più debole raggiunge più facilmente la soglia di inversione, senza che l’ampiezza relativa della sua variabilità aumenti necessariamente. Ciò non rende l’aumento delle inversioni fisicamente irrilevante, poiché il passaggio a venti orientali continua ad avere conseguenze fondamentali per la propagazione delle onde planetarie, ma impone di distinguere chiaramente tra cambiamento dello stato medio, cambiamento della variabilità e cambiamento della frequenza con cui viene attraversata una soglia dinamica. È proprio questa distinzione a rendere la Figura 5 essenziale per comprendere perché una definizione standard degli SSW debba essere sufficientemente stabile da consentire confronti climatici di lungo periodo, ma anche accompagnata da diagnostiche capaci di descrivere come il sistema stratosferico nel quale quella definizione viene applicata stia cambiando nel tempo.
Raccomandazioni e opportunità
La questione relativa alla necessità di una definizione standardizzata dei riscaldamenti stratosferici improvvisi, o Sudden Stratospheric Warmings (SSW), costituisce uno dei problemi metodologici più rilevanti nello studio della variabilità dinamica della stratosfera polare. Come evidenziato da Butler et al. (2015), la difficoltà fondamentale risiede nel fatto che gli SSW non rappresentano una categoria atmosferica completamente separata dal resto della variabilità stratosferica, ma piuttosto l’estremità più intensa di un continuum dinamico che comprende indebolimenti moderati del vortice polare, riscaldamenti minori, eventi maggiori, intensificazioni del vortice e transizioni stagionali finali. Di conseguenza, qualsiasi tentativo di stabilire una soglia universale introduce necessariamente un certo grado di arbitrarietà. Una definizione standard non dovrebbe quindi essere interpretata come una descrizione fisicamente completa di ogni singolo evento, bensì come uno strumento diagnostico capace di identificare in maniera riproducibile gli episodi più estremi di indebolimento della circolazione stratosferica polare. Butler et al. sottolineano precisamente questo punto: una definizione unica non può soddisfare simultaneamente tutte le esigenze della ricerca, dalla climatologia alla previsione, dallo studio del trasporto chimico all’analisi dell’accoppiamento stratosfera–troposfera. La sua funzione principale dovrebbe essere quella di fornire una metrica coerente della variabilità stratosferica invernale, mentre le caratteristiche dinamiche e gli effetti di ciascun evento devono essere valutati attraverso ulteriori diagnostiche.
Questo principio assume particolare importanza considerando la natura fisica degli SSW. Un riscaldamento stratosferico improvviso maggiore è associato a una profonda perturbazione del vortice polare invernale, durante la quale l’intensa circolazione occidentale che normalmente caratterizza la stratosfera delle alte latitudini viene drasticamente rallentata e, nei casi maggiori, invertita. Il contemporaneo incremento della temperatura polare non costituisce semplicemente un’anomalia termica indipendente, ma rappresenta una conseguenza della dinamica dell’interazione onda–flusso medio. Le onde planetarie di Rossby generate prevalentemente nella troposfera e capaci di propagarsi verticalmente nella stratosfera depositano quantità di moto quando vengono dissipate o rompono all’interno della circolazione stratosferica. Tale processo decelera il getto occidentale del vortice polare e induce una circolazione meridiana residua caratterizzata da moto discendente alle alte latitudini. La compressione adiabatica dell’aria discendente determina quindi il rapido riscaldamento della stratosfera polare. Nei casi più intensi, la perturbazione può portare alla completa inversione dei venti zonali climatologici e alla distruzione temporanea della struttura del vortice. La moderna letteratura considera pertanto gli SSW come manifestazioni estreme dell’interazione non lineare tra onde planetarie e circolazione media, piuttosto che come eventi definiti esclusivamente dall’aumento della temperatura.
Proprio questa interpretazione dinamica spiega perché la definizione basata sull’inversione del vento zonale abbia progressivamente assunto un ruolo dominante. Storicamente, infatti, la denominazione “sudden stratospheric warming” deriva dalle prime osservazioni compiute attraverso misure termiche nella prima metà degli anni Cinquanta. Con l’espansione della rete osservativa, delle radiosonde, dei satelliti e successivamente delle rianalisi atmosferiche globali, è divenuto evidente che il riscaldamento termico costituisce soltanto una manifestazione di una trasformazione molto più ampia della circolazione. La definizione tradizionale della World Meteorological Organization faceva riferimento sia all’inversione del gradiente meridionale di temperatura sia all’inversione della circolazione zonale alle alte latitudini. Tuttavia, l’applicazione pratica di questi criteri non è stata completamente uniforme nel tempo. Alcuni studi hanno utilizzato 60°N, altri 65°N; alcuni hanno valutato il vento a una singola latitudine, altri una media del cappuccio polare; alcuni hanno richiesto esplicitamente il criterio termico, altri lo hanno eliminato perché quasi sempre soddisfatto quando avviene una vera inversione della circolazione. Butler et al. (2015) mostrarono quindi che ciò che spesso viene indicato genericamente come “definizione WMO” comprende in realtà diverse interpretazioni operative sviluppatesi nel corso dei decenni.
Un importante passo verso la standardizzazione fu rappresentato dal lavoro di Charlton e Polvani (2007), che svilupparono un algoritmo oggettivo per identificare gli SSW maggiori utilizzando il vento zonale medio zonale a 60°N e 10 hPa. In questo schema, la data centrale dell’evento corrisponde al primo giorno in cui il vento medio zonale a quella latitudine e a quel livello diventa orientale. L’utilizzo di un criterio relativamente semplice rese possibile costruire climatologie comparabili tra diverse rianalisi e tra osservazioni e modelli climatici. Charlton e Polvani mostrarono che, secondo tale criterio, gli SSW maggiori dell’emisfero boreale si verificano mediamente con una frequenza dell’ordine di circa sei eventi per decennio, pur presentando una marcata variabilità interannuale e decadale. Il loro lavoro costituì inoltre una svolta perché introdusse un metodo sistematico per distinguere gli eventi nei quali il vortice polare viene principalmente spostato dal Polo, i cosiddetti vortex displacement events, da quelli nei quali il vortice viene diviso in due o più strutture principali, i vortex split events.
La definizione comunemente denominata CP07 ha avuto un’enorme influenza sulla letteratura successiva proprio perché possiede due delle qualità considerate fondamentali da Butler et al.: semplicità e rilevanza dinamica. Il vento zonale medio a 60°N e 10 hPa è disponibile praticamente in tutte le rianalisi atmosferiche e nei modelli stratosfera-risolventi, può essere calcolato rapidamente ed è direttamente connesso alla forza della circolazione del vortice polare. La sua applicazione consente inoltre confronti relativamente semplici tra dataset osservativi, modelli climatici, esperimenti di sensibilità e previsioni operative. Tuttavia, proprio la sua semplicità costituisce anche un limite. Un evento può produrre una perturbazione estremamente intensa del vortice senza che il vento a una particolare latitudine attraversi esattamente la soglia dello zero; viceversa, modesti spostamenti latitudinali del margine del vortice possono determinare un’inversione locale del vento a 60°N e quindi modificare la classificazione dell’evento. Ne deriva che la diagnosi di un SSW può essere in parte sensibile alla latitudine scelta, al livello di pressione, alla soglia del vento e alle regole utilizzate per separare eventi temporalmente ravvicinati.
Questa problematica è stata affrontata in maniera sistematica da Butler et al. (2018) nello studio “Optimizing the Definition of a Sudden Stratospheric Warming”. Gli autori hanno esaminato come la frequenza degli SSW, l’intensità del forcing ondulatorio, le anomalie termiche stratosferiche, le variazioni del vento zonale e gli effetti troposferici cambino modificando i parametri utilizzati per identificare l’inversione della circolazione. Il risultato più significativo è che non esiste una singola combinazione di latitudine, quota e soglia del vento che possa essere considerata inequivocabilmente ottimale, proprio perché la variabilità del vortice polare ha una natura continua. Esiste tuttavia un intervallo relativamente ristretto di parametri all’interno del quale le definizioni mostrano prestazioni soddisfacenti, e il tradizionale criterio basato su 60°N e 10 hPa ricade precisamente all’interno di questa regione. Questo risultato rafforza l’idea secondo cui la definizione CP07, pur non essendo perfetta, rappresenta un compromesso pragmaticamente efficace tra semplicità, significato dinamico e robustezza.
La robustezza costituisce infatti uno degli aspetti centrali delle raccomandazioni formulate da Butler et al. (2015). Una definizione climatologica dovrebbe idealmente produrre risultati simili quando vengono introdotte piccole variazioni nei parametri diagnostici. Se uno spostamento della latitudine di riferimento di appena cinque gradi, una minima variazione della soglia del vento o la scelta di un diverso livello di pressione modificassero radicalmente il numero degli eventi individuati, la climatologia ottenuta risulterebbe scarsamente affidabile. Questo problema diviene particolarmente serio nell’ambito degli studi sul cambiamento climatico. Quando si confrontano simulazioni storiche e future, una variazione della posizione climatologica del vortice, del getto stratosferico o della struttura verticale della circolazione potrebbe modificare artificialmente la frequenza diagnostica degli SSW senza rappresentare necessariamente un cambiamento equivalente nella reale frequenza degli eventi dinamicamente estremi. La definizione utilizzata deve pertanto essere sufficientemente stabile da distinguere una trasformazione reale della dinamica stratosferica da una semplice sensibilità del criterio diagnostico.
L’importanza di una definizione comune emerge ancora più chiaramente nel confronto tra modelli climatici. Uno degli obiettivi fondamentali della climatologia degli SSW è infatti valutare se un modello sia in grado di rappresentare realisticamente la variabilità della stratosfera invernale. Il solo confronto della temperatura media o della velocità climatologica del vortice non è sufficiente, perché un modello potrebbe riprodurre correttamente lo stato medio della stratosfera pur rappresentando in maniera irrealistica la frequenza, l’intensità o il ciclo di vita degli eventi estremi. Già Charlton e Polvani proposero una serie di benchmark dinamici per la valutazione dei modelli, comprendenti la frequenza degli SSW, l’entità del riscaldamento del cappuccio polare, la decelerazione dei venti stratosferici, il forcing ondulatorio precedente all’evento e la successiva risposta troposferica. In questo contesto, una metrica condivisa per l’identificazione degli eventi rappresenta un prerequisito essenziale: confrontare due modelli utilizzando definizioni differenti equivarrebbe infatti a confrontare popolazioni statistiche non omogenee.
La necessità di distinguere tra l’identificazione di un SSW e la descrizione completa della sua evoluzione è altrettanto importante. Una definizione standard può stabilire se un evento appartenga o meno alla categoria degli SSW maggiori, ma non dovrebbe essere utilizzata come unico indicatore dell’intensità o dell’importanza meteorologica dell’evento. Due riscaldamenti che soddisfano entrambi il criterio di inversione del vento a 60°N e 10 hPa possono presentare strutture tridimensionali, durate, intensità e impatti troposferici molto differenti. Alcuni eventi determinano una perturbazione profonda e persistente della stratosfera inferiore e vengono seguiti da anomalie troposferiche rilevanti per diverse settimane; altri rimangono maggiormente confinati alla media e alta stratosfera e producono una risposta superficiale molto più debole. La classificazione binaria “SSW/non SSW” non contiene quindi informazioni sufficienti per determinare l’intensità dell’accoppiamento stratosfera–troposfera.
Questa distinzione è particolarmente importante nella previsione meteorologica subseasonal-to-seasonal. Gli SSW possono incrementare la prevedibilità della circolazione troposferica su scale temporali superiori a quelle tipiche della previsione meteorologica convenzionale, perché le anomalie stratosferiche possiedono spesso una persistenza relativamente lunga e possono influenzare la posizione del jet stream, le storm tracks e il Northern Annular Mode. La grande review di Baldwin et al. (2021) ha sintetizzato come, in seguito a numerosi SSW, si osservi una maggiore probabilità di anomalie di pressione compatibili con la fase negativa del Northern Annular Mode e della North Atlantic Oscillation, accompagnate da modificazioni della circolazione extratropicale capaci di alterare la probabilità di irruzioni fredde sull’Eurasia e sul Nord America. Tuttavia, tali risposte sono probabilistiche e non deterministiche: un SSW non implica automaticamente una NAO negativa né garantisce un’ondata di freddo in una determinata regione. La risposta superficiale dipende dalla profondità dell’anomalia stratosferica, dalla persistenza del vortice indebolito, dallo stato iniziale della troposfera e dall’interazione con la variabilità interna atmosferica.
Questa complessità spiega perché Butler et al. distinguano chiaramente tra una definizione destinata alla climatologia e gli strumenti diagnostici necessari per la previsione. Nei centri meteorologici operativi una convenzione condivisa può essere molto utile per comunicare l’avvenimento di un SSW e confrontare le previsioni dei diversi sistemi, ma l’analisi prognostica richiede informazioni molto più dettagliate: l’intensità e la posizione del vortice, la distribuzione della vorticità potenziale, l’attività d’onda planetaria, il flusso di calore ed Eliassen–Palm, la struttura verticale delle anomalie del vento, il comportamento della bassa stratosfera e l’evoluzione dei modi anulari. In altre parole, sapere che il criterio formale per un SSW è stato raggiunto rappresenta soltanto l’inizio dell’analisi meteorologica, non la sua conclusione.
Analogamente, la tradizionale distinzione tra eventi di tipo displacement e split deve essere utilizzata con cautela quando si vogliono dedurre gli impatti troposferici. Dal punto di vista stratosferico i due tipi possono avere evoluzioni differenti. Charlton e Polvani trovarono, per esempio, che gli eventi di split tendono a essere preceduti da un differente precondizionamento del vortice e che alcune loro anomalie stratosferiche possono risultare più persistenti. Tuttavia, la relazione tra morfologia del vortice e risposta troposferica non è semplice. Maycock e Hitchcock (2015), analizzando una simulazione climatica molto lunga, mostrarono che le differenze medie nella risposta del Northern Annular Mode tra split e displacement sono relativamente modeste e dipendono anche dall’algoritmo utilizzato per classificare gli eventi. Gli autori sottolinearono quindi che, ai fini della prevedibilità superficiale, può essere più importante comprendere la profondità e la persistenza dell’anomalia del vento stratosferico che attribuire l’evento a una delle due categorie morfologiche.
Le raccomandazioni di Butler et al. assumono inoltre particolare rilevanza nella distinzione tra riscaldamenti maggiori, minori, finali e Canadian warmings. I final warmings, ad esempio, rappresentano la transizione stagionale definitiva dalla circolazione occidentale invernale a quella orientale estiva e non devono essere confusi con gli SSW di pieno inverno, anche se entrambi possono soddisfare temporaneamente criteri basati sull’inversione del vento. Per questo motivo gli algoritmi climatologici introducono generalmente condizioni volte a verificare che la circolazione occidentale venga ristabilita dopo un SSW di metà inverno. Nella formulazione CP07, gli eventi devono essere sufficientemente separati nel tempo e la circolazione deve tornare occidentale prima della conclusione della stagione affinché l’inversione non venga classificata come final warming. Queste regole, apparentemente tecniche, hanno conseguenze statistiche rilevanti, perché la durata minima richiesta tra due eventi può modificare il numero totale degli SSW individuati.
Anche la categoria dei cosiddetti Canadian warmings evidenzia la difficoltà di costruire tassonomie rigide. Questi eventi, più frequenti all’inizio dell’inverno boreale, sono associati a una marcata amplificazione dell’alta pressione aleutinica stratosferica e a notevoli perturbazioni del vortice, ma non sempre presentano tutte le caratteristiche tipiche degli SSW maggiori di pieno inverno. Analogamente, i minor warmings possono produrre forti aumenti della temperatura e un sostanziale indebolimento del vortice senza raggiungere la completa inversione dei venti occidentali. Dal punto di vista fisico, ciò conferma l’esistenza di un continuum della variabilità stratosferica. Baldwin et al. (2021) sottolineano esplicitamente che gli SSW occupano la coda estrema di una distribuzione più ampia di stati del vortice polare, piuttosto che costituire necessariamente una popolazione dinamicamente separata. Il confine tra evento maggiore e non maggiore è quindi in parte il risultato della soglia diagnostica adottata.
Da questa considerazione nasce una delle proposte più interessanti avanzate nel lavoro di Butler et al.: lo sviluppo di un indice stratosferico continuo che permetta di rappresentare tanto le fasi di forte indebolimento quanto quelle di eccezionale intensificazione del vortice. Un approccio di questo tipo consentirebbe di superare parzialmente la rigidità della classificazione binaria. Invece di domandarsi esclusivamente se un determinato giorno soddisfi o meno una soglia, sarebbe possibile quantificare quanto lo stato della stratosfera si discosti dalla climatologia e collocare gli eventi lungo un continuum di intensità. Una simile impostazione è particolarmente interessante quando vengono studiati gli effetti troposferici, perché la risposta superficiale può dipendere non soltanto dal superamento di una soglia a 10 hPa, ma dall’ampiezza, dalla durata e dalla propagazione verticale dell’anomalia stratosferica. Tuttavia, anche in presenza di un indice continuo rimarrebbe utile mantenere una soglia convenzionale condivisa per gli SSW maggiori, soprattutto per ragioni climatologiche e operative.
La stessa denominazione “riscaldamento stratosferico improvviso” merita, secondo Butler et al., una riflessione concettuale. Il termine possiede un’importanza storica indiscutibile perché gli eventi furono scoperti attraverso le spettacolari variazioni termiche osservate nella stratosfera polare. Nondimeno, nella ricerca contemporanea gli SSW maggiori vengono identificati principalmente attraverso una trasformazione della circolazione, ossia l’inversione dei venti zonali, mentre l’aumento della temperatura costituisce una conseguenza dinamica della redistribuzione della massa e del moto verticale associato all’interazione onda–flusso medio. Da un punto di vista strettamente fisico, quindi, una denominazione centrata sulla perturbazione o sul collasso della circolazione del vortice polare potrebbe risultare persino più descrittiva. Tuttavia, il termine SSW è ormai profondamente radicato nella letteratura scientifica internazionale e garantisce una continuità storica e terminologica difficilmente sostituibile. La questione evidenzia comunque un aspetto importante della comunicazione scientifica: il nome del fenomeno non deve indurre a interpretarlo semplicemente come un episodio di riscaldamento termico, ignorandone la natura fondamentalmente dinamica.
A distanza di anni dalla pubblicazione di Butler et al. (2015), la successiva letteratura ha sostanzialmente confermato l’impostazione proposta dagli autori. La review di Baldwin et al. (2021), una delle sintesi più complete dedicate agli SSW, continua infatti a utilizzare l’inversione del vento zonale medio a 60°N e 10 hPa come criterio pratico per identificare gli eventi maggiori, pur sottolineando che essi appartengono a un continuum di variabilità stratosferica. La persistenza di questo criterio non significa che il problema metodologico sia stato definitivamente risolto; piuttosto dimostra che il criterio tradizionale presenta un equilibrio particolarmente favorevole tra semplicità, continuità storica e significato dinamico. Il lavoro di ottimizzazione di Butler et al. (2018) rafforza ulteriormente questa conclusione mostrando che, anche quando i parametri vengono esplorati sistematicamente utilizzando i moderni dataset, la combinazione tradizionale 60°N–10 hPa rimane compresa nella regione delle soglie maggiormente efficaci.
In definitiva, la questione della definizione degli SSW rappresenta un esempio particolarmente istruttivo di un problema generale della scienza del clima: la necessità di tradurre fenomeni atmosferici intrinsecamente continui, tridimensionali e variabili in metriche discrete che possano essere utilizzate per costruire climatologie, verificare modelli e confrontare periodi differenti. Una buona definizione non deve pretendere di contenere tutta la fisica del fenomeno, ma deve essere semplice abbastanza da poter essere applicata in maniera uniforme, fisicamente significativa rispetto alla variabile che intende rappresentare e sufficientemente robusta da non cambiare radicalmente in seguito a piccole modifiche dei parametri. La proposta avanzata da Butler et al. di fondare la standardizzazione sui principi di semplicità, rilevanza e robustezza rimane perciò estremamente valida. Una metrica standardizzata è indispensabile quando si vogliono confrontare frequenze di SSW tra rianalisi, modelli o scenari climatici, mentre l’interpretazione di ogni singolo evento richiede un insieme molto più ricco di diagnostiche dinamiche.
La lezione più importante che emerge da questo dibattito è quindi che “definire” un SSW e “comprendere” un SSW sono due operazioni differenti. La prima richiede un criterio oggettivo e riproducibile; la seconda richiede l’analisi dell’intero sistema atmosferico, dalla propagazione delle onde planetarie alla deformazione del vortice polare, dalla risposta della bassa stratosfera all’eventuale propagazione delle anomalie verso la troposfera. Una definizione standard può stabilire una lingua comune per la comunità scientifica, ma non può sostituire l’interpretazione fisica. È precisamente questa complementarità tra standardizzazione statistica e diagnosi dinamica dettagliata a rendere possibile una valutazione rigorosa della variabilità stratosferica, della capacità dei modelli climatici di riprodurla e del contributo degli SSW alla prevedibilità meteorologica su scale temporali subseasonal-to-seasonal. In questa prospettiva, il problema sollevato da Butler et al. trascende la semplice scelta di una soglia di vento o di una latitudine: riguarda il modo stesso in cui la scienza atmosferica costruisce criteri condivisi per descrivere fenomeni complessi senza perdere di vista la loro natura fisica continua. Gli SSW costituiscono pertanto non soltanto uno dei più spettacolari esempi di variabilità della stratosfera, ma anche un caso paradigmatico di come osservazioni, teoria dinamica, modellistica climatica e previsione operativa debbano convergere verso definizioni comuni, continuamente riesaminate alla luce del progresso delle conoscenze e della crescente disponibilità di dati atmosferici.
https://www.arl.noaa.gov/documents/JournalPDFs/Butler_et_al_2015_bams-d-13-00173.1.pdf
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