Dinamica della Riflessione delle Onde Stratosferiche sul Nord Pacifico

Lo studio intitolato “Dynamics of stratospheric wave reflection over the North Pacific” di Schutte, Portal, Lee e Messori investiga i processi fisici che determinano la riflessione delle onde atmosferiche nella stratosfera, con un’attenzione particolare all’area del Nord Pacifico. L’obiettivo principale è comprendere come queste onde planetarie – generate principalmente nella troposfera – interagiscano con il flusso medio stratosferico, influenzandone la circolazione e producendo effetti che si ripercuotono a loro volta su scala regionale e globale.

Innanzitutto, è fondamentale inquadrare il contesto: le onde planetarie, spesso indicate anche come onde di Rossby, giocano un ruolo chiave nel trasferimento di energia e quantità di moto tra troposfera e stratosfera. Quando si parla di “riflessione” in questo contesto, si fa riferimento a un fenomeno in cui le onde, una volta propagate verticalmente verso la stratosfera, interagiscono con l’andamento dei venti zonali, venendo parzialmente rifratte o riflesse. Questo processo può modificare l’ampiezza e la fase delle perturbazioni che poi si ri-proiettano verso il basso, con effetti tangibili sul clima troposferico, in particolare nella stagione invernale dell’emisfero boreale.

Nella ricerca, gli autori analizzano in dettaglio i principali meccanismi che portano alla riflessione delle onde sul margine occidentale del Nord Pacifico, utilizzando dati di rianalisi e modelli atmosferici. Una parte cruciale del lavoro consiste nello studio degli indici di attività d’onda, che permettono di tracciare il percorso delle onde di Rossby e di quantificare gli scambi di momento tra le regioni troposferiche e stratosferiche. Vengono considerati periodi in cui si verificano particolari configurazioni di vento zonale stratosferico – ad esempio, in corrispondenza di un forte vortice polare o di un suo indebolimento – per verificare come tali condizioni favoriscano o ostacolino la riflessione.

Un elemento cardine del lavoro consiste nella definizione di una tipologia di eventi di “riflessione stratosferica” che si discostano dai più noti eventi di riscaldamento stratosferico improvviso (Sudden Stratospheric Warmings, SSW). Mentre un SSW comporta spesso una forte inversione o un indebolimento marcato dei venti zonali, la riflessione, così come descritta dagli autori, può avvenire anche in condizioni invernali “normali”, purché sussistano gradienti e configurazioni di venti tali da permettere alle onde di invertire la direzione di propagazione. Questo aspetto è di grande interesse poiché suggerisce che gli effetti della dinamica stratosferica sulla troposfera non si limitano a eventi estremi come i SSW, ma possano verificarsi anche in situazioni più comuni, influenzando la circolazione a medie latitudini.

Sul piano dei risultati, lo studio mostra che la riflessione delle onde nella stratosfera sopra il Nord Pacifico può contribuire in maniera significativa alla formazione e al mantenimento di pattern di teleconnessione troposferici, come ad esempio quelli legati alla Pacific North American pattern (PNA). In pratica, l’energia d’onda che “rimbalza” nella stratosfera e ritorna verso la troposfera può alterare il flusso atmosferico, favorendo la creazione di configurazioni di alta e bassa pressione persistenti. Queste a loro volta modulano il clima superficiale, influenzando le traiettorie delle tempeste, le temperature invernali e la distribuzione delle precipitazioni nelle regioni nordamericane e, in parte, euro-asiatiche.

Dal punto di vista metodologico, gli autori utilizzano una combinazione di: **- Analisi dei campi meteorologici ottenuti da dataset di rianalisi globali (per esempio ERA-Interim o ERA5), fondamentali per ricostruire l’evoluzione passata della circolazione atmosferica;

• Diagnostiche basate sugli pseudoflussi di Eliassen–Palm (EP-flux), che sono uno strumento potente per quantificare la propagazione delle onde di Rossby nella colonna atmosferica e per evidenziare le regioni in cui si hanno convergenze o divergenze di flusso;
• Metodi statistici per identificare gli eventi di riflessione stratosferica e correlare tali eventi con le anomalie troposferiche.**

Un passaggio importante risiede nell’interpretazione delle variazioni dei venti zonali a livello stratosferico come “specchio” per le onde di Rossby. Quando i venti zonali invernali sono sufficientemente forti e strutturati, le onde possono subire una riflessione piuttosto che una dissipazione o un assorbimento. È qui che entra in gioco la posizione del cosiddetto critical level, ovvero il livello in cui la velocità di fase dell’onda coincide con la velocità del flusso medio, facendo sì che l’onda smetta di propagarsi verticalmente e si estingua. Se questo livello critico non viene raggiunto, o se la struttura di vento consente un “bounce” dell’onda, si instaura la riflessione.

I risultati del lavoro suggeriscono che la variabilità naturale della circolazione stratosferica gioca un ruolo più complesso di quanto si pensasse in precedenza nell’indirizzare i pattern di clima a scala stagionale o sub-stagionale. Le implicazioni pratiche sono molteplici: la possibilità di prevedere con maggiore accuratezza la presenza di riflessione d’onda stratosferica potrebbe migliorare la previsione stagionale del clima invernale, fornendo indicazioni utili per settori come l’agricoltura, la gestione delle risorse idriche e la pianificazione energetica.

Infine, lo studio apre prospettive per ricerche future volte a comprendere in che modo i cambiamenti climatici – e dunque la variazione della temperatura e del gradiente termico nella stratosfera – possano influenzare l’intensità e la frequenza di questi eventi di riflessione. Con l’aumento dei gas serra e i mutamenti della circolazione generale, ci si aspetta infatti modifiche anche nel pattern dei venti zonali e nella forza del vortice polare. Tali cambiamenti potrebbero alterare la facilità con cui avviene la riflessione d’onda e, di conseguenza, la variabilità climatica stagionale.

In sintesi, lo studio di Schutte e colleghi mette in luce come la dinamica delle onde planetarie stratosferiche nel Nord Pacifico abbia un impatto profondo sul clima di superficie, mostrando che i processi di riflessione non sono solamente fenomeni di secondaria importanza, ma possono costituire uno dei motori della variabilità atmosferica invernale a medie latitudini. La ricerca si colloca quindi nel più ampio contesto di una comprensione integrata troposfera-stratosfera e fornisce un contributo significativo alla letteratura riguardo i meccanismi di interazione verticale che plasmano il clima dell’emisfero settentrionale.

Dinamica della Riflessione delle Onde Stratosferiche sul Nord Pacifico Michael K. Schutte^1, Alice Portal^2, Simon H. Lee^3, e Gabriele Messori^1,4,5

^1Dipartimento di Scienze della Terra, Università di Uppsala, Uppsala, Svezia ^2Istituto di Geografia, Centro Oeschger per la Ricerca sul Cambiamento Climatico, Università di Berna, Berna, Svizzera ^3Scuola di Scienze della Terra e Ambientali, Università di St Andrews, St Andrews, Regno Unito ^4Centro Svedese per gli Impatti degli Estremi Climatici, Università di Uppsala, Uppsala, Svezia ^5Dipartimento di Meteorologia e Centro Bolin per la Ricerca sul Clima, Università di Stoccolma, Stoccolma, Svezia

Abstract Gli eventi di riflessione ondulatoria stratosferica sono fenomeni di grande rilievo nel campo della dinamica atmosferica, caratterizzati dalla propagazione ascendente delle onde planetarie che, una volta raggiunta la stratosfera, vengono riflesse in direzione opposta dal vortice polare stratosferico. Questo processo non solo testimonia l’esistenza di un’interconnessione significativa tra le circolazioni atmosferiche su larga scala nella troposfera e nella stratosfera, ma rivela anche dinamiche complesse che influenzano direttamente il clima terrestre.

Il presente studio si focalizza sull’analisi di specifici eventi di riflessione delle onde, durante i quali si osserva un incremento marcato della differenza tra il flusso di calore eddico diretto verso i poli sopra il Nord Pacifico nord-occidentale e il flusso di calore eddico diretto verso l’equatore sopra il Canada. Ricerche antecedenti hanno stabilito un legame tra tali eventi e significative anomalie nella circolazione atmosferica sopra il Nord America, che culminano con una drastica riduzione della temperatura superficiale su scala continentale. Il nostro obiettivo è quindi di disvelare e descrivere i meccanismi dinamici che regolano questa sequenza di fenomeni.

Le analisi effettuate indicano che le anomalie del flusso di calore eddico meridionale tra il Nord Pacifico nord-occidentale e il Canada subiscono una inversione di segno in prossimità degli eventi di riflessione. Tale inversione è spiegabile attraverso l’emergere di una cresta che si propaga verso ovest, associata ad un’anomalia positiva dell’altezza geopotenziale, e la formazione di una depressione a valle. Quest’ultima è responsabile del trasporto di masse d’aria più fredde del normale verso sud, nella troposfera inferiore sopra il Nord America, provocando una rapida diminuzione delle temperature vicino alla superficie.

Nella troposfera superiore, ciò si manifesta attraverso anomalie negative del flusso di calore eddico meridionale, mentre nella troposfera inferiore si registrano anomalie positive. Questo schema evolutivo riflette una transizione da un regime meteorologico dominato dal Trogolo del Pacifico a uno caratterizzato dalla Cresta dell’Alaska. Oltre agli effetti manifesti sul Nord America, gli eventi di riflessione delle onde stratosferiche hanno un impatto esteso, influenzando la circolazione atmosferica troposferica oltre le medie e alte latitudini settentrionali. Un fenomeno di rilievo connesso è la zonalizzazione e l’intensificazione del getto a corrente eddica dell’Atlantico Nord, che si traduce in un aumento della frequenza degli eventi di vento estremo sull’Europa, manifestatisi alcuni giorni dopo le fluttuazioni termiche nordamericane.

1. Introduzione

La variabilità del vortice polare stratosferico costituisce un elemento chiave nella configurazione dei modelli di circolazione troposferica e esercita un’influenza significativa sugli eventi meteorologici estremi su scale temporali che vanno dal sub-stagionale al stagionale. Questo fenomeno è stato ampiamente documentato in letteratura, evidenziando il suo impatto sulle dinamiche climatiche globali (Baldwin e Dunkerton, 2001; Thompson e Wallace, 2001; Domeisen e Butler, 2020; Kodera et al., 2013; Afargan-Gerstman et al., 2020). Tra gli eventi più significativi correlati alla variabilità di questo vortice si annoverano i riscaldamenti stratosferici improvvisi (SSWs), i quali sono caratterizzati da un marcato aumento delle temperature nella stratosfera polare e da una conseguente disgregazione del vortice polare stratosferico (Scherhag, 1952; Matthewman et al., 2009; Charlton e Polvani, 2007). La genesi degli SSWs è frequentemente associata alla propagazione verso l’alto delle onde di Rossby dalla troposfera, che interagendo con le correnti occidentali stratosferiche ne causano l’affievolimento (Matsuno, 1971; Sjoberg e Birner, 2012; Polvani e Waugh, 2004; Reichler e Jucker, 2022). Nonostante l’intensa attività ondulatoria troposferica possa facilitare tali fenomeni, essa non rappresenta una condizione né necessaria né sufficiente per il verificarsi di un SSW (de la Cámara et al., 2019; Birner e Albers, 2017; Albers e Birner, 2014).

Il focus accademico sugli SSWs è motivato dal loro potenziale di modulazione della circolazione troposferica, che può alterare significativamente le condizioni meteorologiche a livello superficiale. Ad esempio, tali eventi sono stati collegati a massicce irruzioni di aria fredda in Eurasia, contribuendo a modificare sensibilmente gli schemi climatici in tale regione (Cohen et al., 2007; Kretschmer et al., 2018; Kidston et al., 2015).

Parallelamente, la riflessione delle onde stratosferiche rappresenta un fenomeno distinto ma correlato, che ha dimostrato di influenzare le irruzioni di aria fredda anche sul Nord America. Questi eventi si caratterizzano per la presenza di un massimo locale dei venti zonali nella media stratosfera e per la riflessione verso il basso delle onde di Rossby che si propagano verso l’alto dalla troposfera (Perlwitz e Harnik, 2004; Messori et al., 2022). L’identificazione e la caratterizzazione degli eventi di riflessione delle onde stratosferiche hanno sollevato un vivace dibattito scientifico. Alcuni studi si sono concentrati sui flussi di attività ondulatoria giornaliera o sulle diagnostiche della geometria delle onde in media zonale, utilizzando analisi che, sebbene di grande interesse, richiedono un’intensiva elaborazione computazionale e dati non sempre disponibili standard nei prodotti di ri-analisi o nei modelli climatici (Harnik e Lindzen, 2001; Shaw et al., 2010; Shaw e Perlwitz, 2013; Matthias e Kretschmer, 2020). Un approccio alternativo propone l’uso di un indice di riflessione basato sulla differenza nei venti zonali medi-zonali a differenti quote (Perlwitz e Harnik, 2003; Harnik, 2009; Nath et al., 2016), benché tale indice non permetta una distinzione chiara tra SSWs ed eventi di riflessione (Harnik, 2009). Infine, il flusso di calore eddico meridionale è stato impiegato come indicatore della riflessione delle onde stratosferiche, basandosi sulla sua proporzionalità con la componente verticale del flusso di Eliassen-Palm, che riflette la velocità di gruppo verticale secondo la teoria delle onde lineari (Dunn-Sigouin e Shaw, 2015; Shaw et al., 2014; Polvani e Waugh, 2004). Tuttavia, le metodologie basate su medie zonali permettono di identificare la presenza di eventi di riflessione nel tempo, ma non nel loro specifico contesto spaziale.Per affrontare le sfide legate alla corretta identificazione degli eventi di riflessione delle onde stratosferiche, Matthias e Kretschmer (2020) hanno sviluppato un indice innovativo basato sulle medie regionali del flusso di calore eddico meridionale. Questo indice è stato concepito per catturare con precisione gli eventi di riflessione che si verificano sopra il Nord Pacifico. La motivazione dietro l’adozione di questo indice deriva dall’osservazione del modello medio di flusso di calore eddico meridionale, che presenta una velocità di gruppo verticale positiva delle onde di Rossby sopra lo stretto di Bering e una velocità negativa sopra il Nord Canada. Studi precedenti hanno dimostrato che tale definizione di riflessione stratosferica riesce efficacemente a identificare episodi che conducono a marcate riduzioni delle temperature dell’aria a 2 metri sul Nord America, nonché a transizioni dal regime del Trogolo del Pacifico (PT) alla Cresta dell’Alaska (AKR) (Messori et al., 2022; Matthias e Kretschmer, 2020; Cohen et al., 2022).

Nonostante queste avanzate, i meccanismi fisici sottostanti che legano la riflessione delle onde stratosferiche alle anomalie nella circolazione troposferica rimangono ancora parzialmente compresi. Questo lavoro mira a esplorare in maniera approfondita l’evoluzione atmosferica durante e successiva agli eventi di riflessione sopra il Nord Pacifico, ponendo particolare enfasi sui regimi meteorologici che prevalgono sopra il Nord America. Le domande di ricerca che intendiamo rispondere sono le seguenti:

1. Qual è la configurazione verticale del flusso di calore eddico meridionale prima, durante e dopo gli eventi di riflessione?
2. In che modo varia l’attività delle onde di Rossby durante questi eventi e come tale variazione è correlata al passaggio dai regimi PT ad AKR?
3. Estendono gli eventi di riflessione sopra il Nord Pacifico il loro impatto sulla circolazione delle medie latitudini oltre il Nord America?

Per rispondere a queste interrogative, procediamo inizialmente con un’analisi dettagliata dell’evoluzione degli eventi di riflessione, focalizzandoci sul flusso di calore eddico meridionale e sulle anomalie dell’altezza geopotenziale. Successivamente, esaminiamo i cambiamenti nell’altezza geopotenziale durante gli eventi di riflessione in relazione al passaggio dai regimi PT ad AKR. Inoltre, indaghiamo le modificazioni nell’attività delle onde di Rossby troposferiche a medie latitudini attraverso un’analisi spettrale spazio-temporale.

Contrariamente agli approcci che si concentrano sugli indici di circolazione (Baldwin e Dunkerton, 2001; Thompson et al., 2006; Hall et al., 2021; Kolstad et al., 2022) o sui regimi meteorologici (Charlton-Perez et al., 2018; Domeisen et al., 2020; Hall et al., 2023; Messori et al., 2022; Lee et al., 2022), il nostro metodo permette di esplorare le strutture ondulatorie variabili nel tempo, che si differenziano per scala orizzontale e velocità di fase. Metodologie precedenti hanno utilizzato tale approccio per confrontare le proprietà delle onde di Rossby attraverso diversi set di dati e periodi temporali (Dell’Aquila et al., 2005; Riboldi et al., 2020; Sussman et al., 2020). Il metodo si è rivelato inoltre efficace per analizzare i pattern delle onde di Rossby circumpolari durante l’inverno boreale (Riboldi et al., 2022) e per studiare le interazioni tra stratosfera e troposfera durante eventi di vortice polare stratosferico di intensità variabile (Schutte et al., 2024).

2. Metodologie

2.1 Dati Utilizzati La nostra analisi si basa sui dati di rianalisi ERA5 (Hersbach et al., 2020), che offrono una risoluzione spaziale di 1° per 1° e una risoluzione temporale giornaliera. Il periodo di studio copre le stagioni invernali estese, dal 1 dicembre 1979 al 31 marzo 2021, includendo i mesi di dicembre, gennaio, febbraio e marzo (DJFM). Le variabili analizzate comprendono l’altezza geopotenziale, i venti zonali e meridionali, il massimo giornaliero della velocità del vento a 10 metri e la temperatura dell’aria. Inoltre, per l’analisi delle onde di Rossby nel tempo e nello spazio, utilizziamo dati del vento meridionale con una risoluzione migliorata di 0.75° per 0.75° e aggiornamenti ogni sei ore. Per rimuovere l’influenza stagionale e isolare le anomalie, abbiamo deseasonalizzato la maggior parte dei dataset escludendo il vento meridionale, sottraendo il ciclo stagionale calcolato con una media mobile centrata di 15 giorni, estendendo l’intervallo dal 16 novembre al 15 aprile. Inoltre, abbiamo applicato una detrendizzazione lineare al campo delle temperature per correggere gli effetti del riscaldamento globale. L’analisi del flusso di attività delle onde è stata effettuata seguendo il metodo descritto da Plumb (1985).

2.2 Definizione degli Eventi di Riflessione La procedura per identificare gli eventi di riflessione stratosferica si basa sulle metodologie stabilite da Messori et al. (2022). La nostra analisi inizia con la moltiplicazione delle deviazioni dalla media zonale del vento meridionale e della temperatura per calcolare il flusso di calore eddico meridionale. Per la standardizzazione di queste misure, calcoliamo le medie ponderate per la latitudine-coseno nei domini Siberiano e Canadese. Le anomalie risultanti vengono standardizzate rimuovendo la media giornaliera e dividendo per la deviazione standard di ciascun giorno del calendario. Identifichiamo gli eventi di riflessione stratosferica quando l’indice risultante supera un valore soglia per un periodo minimo di 10 giorni consecutivi, registrando 45 eventi durante i mesi invernali. Ogni evento viene classificato in base alla sua data di inizio o di conclusione, analizzando la sensibilità di questa definizione alla scelta dei parametri, come indicato in studi precedenti.

Inoltre, per esplorare la connessione tra gli eventi di riflessione e la circolazione atmosferica su vasta scala sopra il Nord America, utilizziamo i dati sui regimi meteorologici da Lee et al. (2023b). Questi dati definiscono cinque regimi meteorologici persistenti durante tutto l’anno sopra il Nord America attraverso un’analisi di cluster k-means basata sui campi di altezza geopotenziale a 500 hPa filtrati su periodi di 10 giorni. I regimi identificati includono il Trogolo del Pacifico, la Cresta del Pacifico, la Cresta dell’Alaska, l’Alta della Groenlandia e un regime non classificato. Identifichiamo ‘eventi’ dei regimi meteorologici come periodi di più di 5 giorni consecutivi con lo stesso regime atmosferico. Applichiamo questa metodologia per definire transizioni tra i regimi, particolarmente dalla fase di Trogolo del Pacifico alla fase di Cresta dell’Alaska, basandoci sulla presenza del regime precedente nei 15 giorni antecedenti un evento di Cresta dell’Alaska. Questa analisi fornisce una comprensione dettagliata degli schemi atmosferici associati a ciascuna transizione, indipendentemente dalla scelta dei parametri soglia.

In aggiunta, per verificare se la decomposizione delle onde di Rossby su scala emisferica rifletta accuratamente la dinamica degli eventi di riflessione del Nord Pacifico, definiamo un segnale regionalizzato. Selezioniamo specificamente i giorni in cui la correlazione spaziale delle anomalie dell’altezza geopotenziale a 100 hPa rispecchia strettamente le anomalie compositive osservate durante gli eventi di riflessione. Eventi regionalizzati vengono calcolati separatamente per le date di inizio e fine degli eventi di riflessione, utilizzando il coefficiente di correlazione di Pearson, e aggregando i giorni ad alta correlazione in un unico evento regionalizzato. Questo approccio consente di isolare e analizzare gli eventi di riflessione con una precisione spaziale e temporale raffinata, fornendo nuove intuizioni sulla loro dinamica e impatto.

2.3 Analisi degli Spettri delle Onde di Rossby nel Contesto Spazio-Temporale

Gli spettri spazio-temporali rappresentano uno strumento avanzato per analizzare le strutture ondulatorie variabili nel tempo. Questi spettri permettono di decomporre complesse strutture ondulatorie, come quelle osservabili nei diagrammi di Hovmöller, in componenti armoniche distinte che variano per scale orizzontali e velocità di fase. Seguendo le procedure dettagliate in studi recenti come Riboldi et al. (2022) e Schutte et al. (2024), abbiamo applicato questa tecnica alle onde di Rossby, utilizzando dati del vento meridionale tra i 35°N e i 75°N.

Le onde di Rossby sono state analizzate mediante una doppia trasformata di Fourier, che scompone il vento meridionale in coefficienti di Fourier complessi lungo ogni parallelo. Questo metodo consente di esaminare le fluttuazioni sia spaziali che temporali del campo del vento. Specificatamente, la trasformata è stata applicata su un reticolo di 480 punti per cerchio di latitudine, con passaggi temporali di sei ore su un periodo di 61 giorni. Ogni giorno è analizzato come il punto centrale di un intervallo temporale scorrevole di 61 giorni, centrato alle 12:00 UTC, per catturare dinamiche su scala stagionale e sub-stagionale.

Per ridurre gli effetti al contorno, abbiamo implementato un metodo di appesantimento doppio con funzione coseno, che attenua gli effetti dei primi e degli ultimi 12 giorni di ogni finestra temporale. I risultati sono periodogrammi che esprimono la densità spettrale di potenza come funzione della frequenza e del numero d’onda. Inoltre, ogni periodogramma è stato sottoposto a dieci cicli di levigatura nella direzione della frequenza usando una finestra di tre punti, seguendo l’approccio proposto da Wheeler e Kiladis (1999).

Dopo la levigatura, i periodogrammi sono stati convertiti nel dominio delle velocità di fase. Questa conversione è stata realizzata interpolando i periodogrammi lungo linee di costante velocità di fase e successivamente riscalandoli. Questo processo permette di ottenere una rappresentazione chiara delle velocità di fase associate a ciascuna componente armonica, offrendo una panoramica dettagliata del movimento delle onde atmosferiche. La media delle velocità di fase è stata calcolata tra i 35°N e i 75°N, risultando in uno spettro che riflette la variazione stagionale sottraendo il ciclo stagionale medio calcolato con una media mobile centrata di 15 giorni.

Basandoci sugli spettri ottenuti, abbiamo definito due metriche integrali per sintetizzare l’entità complessiva dell’attività delle onde di Rossby e la direzione della loro propagazione. La prima metrica, il potere spettrale integrato (ISP), misura la densità spettrale totale delle onde di Rossby su tutti i numeri d’onda e le velocità di fase, fornendo una stima dell’intensità complessiva dell’attività ondulatoria atmosferica. Inoltre, abbiamo distinto tra l’ISP delle onde che si propagano verso ovest e quelle verso est, integrando le velocità di fase negative e positive, rispettivamente.

La seconda metrica, la velocità di fase media delle onde di Rossby, fornisce una stima media ponderata emisferica attraverso gli armonici risolti. Questa stima è calcolata come la media pesata delle velocità di fase, dove il peso è dato dalla densità energetica spettrale di ciascun armonico. Tale approccio assicura che le componenti armoniche più attive durante ciascun intervallo contribuiscano maggiormente al valore complessivo della velocità di fase, riflettendo l’influenza predominante delle strutture ondulatorie più significative nel contesto atmosferico considerato.

2.4 Valutazione della Significatività delle Anomalie Composite

Nel contesto della nostra analisi, la significatività delle anomalie composite, visualizzate mediante tratteggiatura nella Figura 1, viene determinata attraverso l’impiego di un metodo di bootstrap, che prevede 10.000 iterazioni di campionamento casuale con sostituzione. Questo approccio è necessario per garantire la robustezza delle nostre inferenze statistiche di fronte al grande volume di dati e alla complessità delle correlazioni spazio-temporali presenti nel set di dati.

Per affrontare in modo appropriato la problematica dei test multipli, che è comune in studi che coinvolgono un elevato numero di punti dati geografici (spesso nell’ordine delle decine di migliaia), adottiamo una correzione per i test multipli seguendo le raccomandazioni di Wilks (2016). In studi di questa natura, il rischio di identificare falsi positivi, ovvero di ritenere significative delle anomalie che in realtà sono il frutto del caso, è particolarmente elevato.

L’approccio correttivo impiegato si basa sul principio di controllare il tasso di falsa scoperta (FDR), che ci permette di equilibrare il numero di rilevazioni erroneamente identificate come statisticamente significative rispetto al totale delle scoperte. Stabilire un livello di controllo FDR adeguato è fondamentale per mantenere l’integrità statistica dell’analisi. In particolare, abbiamo fissato questo livello al 10%, un valore che consideriamo un compromesso efficace tra la necessità di minimizzare le scoperte false e quella di non trascurare le effettive significatività.

In seguito a questa impostazione, determiniamo un nuovo livello di significatività per le nostre analisi, generalmente più stringente e al di sotto del tradizionale soglia dello 0,05. Questo nuovo livello è stato utilizzato per valutare la significatività delle varie anomalie osservate nei dati. Tale metodo assicura che solo le anomalie più robuste e meno soggette a variazioni casuali vengano considerate significative, rafforzando così la validità delle nostre conclusioni sulla base dell’analisi spaziale e temporale condotta.

Analisi Evolutiva degli Eventi di Riflessione nella Stratosfera

Dinamiche Temporali e Spaziali del Flusso di Calore Eddico Meridionale

Gli eventi di riflessione stratosferica, definiti nella sezione precedente del testo originale, si caratterizzano per una marcata differenza tra le anomalie termiche nei domini siberiano e canadese. Durante tali eventi, queste differenze si massimizzano, manifestandosi con aumenti delle anomalie termiche e un’intensificazione delle onde di Rossby in propagazione ascendente sopra la Siberia. Parallelamente, si osservano diminuzioni delle anomalie termiche accompagnate da un incremento delle onde di Rossby in propagazione discendente sopra il Canada.

Le fasi di aumento delle anomalie termiche sopra la Siberia sono regolarmente precedute da fasi di diminuzione, che presentano una struttura verticale ben definita e si estendono fino alla troposfera superiore. Tuttavia, gli aumenti si manifestano con maggiore intensità nella stratosfera, come illustrato in una delle figure del documento originale. La scarsa presenza di variazioni significative al di sotto dei 300 hPa può essere attribuita a una maggiore variabilità nella troposfera durante gli eventi di riflessione.

Un’analisi dettagliata rivela che le variazioni positive iniziano a manifestarsi alcuni giorni prima nella stratosfera media rispetto alla troposfera superiore, segnando l’inizio degli eventi di riflessione nella stratosfera. Questo fenomeno è strettamente legato al raggiungimento di un massimo locale delle velocità del vento zonale, un elemento fondamentale per la predisposizione della stratosfera agli eventi di riflessione delle onde, come evidenziato in un altro lavoro citato nel testo originale.

Concentrandoci sulla fase conclusiva degli eventi, si osserva l’emergere di ulteriori diminuzioni delle anomalie termiche nel dominio siberiano. Questa alternanza di variazioni di segno opposto è evidente anche nel dominio canadese, dove si rileva un accoppiamento più marcato con i livelli troposferici inferiori, sebbene la maggior parte del segnale significativo rimanga al di sopra dei 300 hPa.

Approfondendo l’analisi, si nota che le variazioni positive emergono vicino alla superficie circa otto giorni prima della conclusione degli eventi di riflessione, estendendosi successivamente verso livelli più elevati. Questa dinamica potrebbe essere associata all’advessione verso sud di masse d’aria più fredde della media vicino alla superficie. Contemporaneamente, le variazioni negative ai livelli superiori tendono a diminuire a partire dagli strati più alti della stratosfera, un fenomeno coerente con la riduzione della riflessione delle onde e con l’aumento della rottura delle onde di Rossby nella stratosfera media. Tale comportamento conduce alla formazione di variazioni di segno opposto nei livelli superiori e inferiori nei giorni che precedono la fine degli eventi di riflessione.

Per comprendere meglio la struttura verticale e temporale di questi fenomeni, è stata esaminata l’evoluzione spaziotemporale delle variazioni termiche intorno al termine degli eventi di riflessione, identificato come giorno zero. Le variazioni nella stratosfera e nella troposfera superiore evidenziano un’oscillazione nel tempo, ben delineata nei domini siberiano e canadese. Durante il picco degli eventi di riflessione, le variazioni a livello di troposfera rimangono confinate principalmente entro questi domini. Tuttavia, si osserva una propagazione verso ovest della variazione negativa sopra il Canada a partire dal giorno zero. Successivamente, emergono variazioni positive nel dominio canadese tra i ritardi da +5 a +12 giorni. Queste dinamiche sono ulteriormente corroborate da un’analisi delle variazioni del flusso di calore durante gli eventi di riflessione, con impatti evidenti anche su Asia ed Europa, suggerendo un legame potenziale tra gli eventi di riflessione e i pattern di circolazione a scala emisferica.

Il comportamento delle anomalie termiche a 850 hPa presenta notevoli differenze rispetto ai livelli superiori, evidenziando particolarità significative nel contesto degli eventi di riflessione stratosferica. Nello specifico, nel dominio canadese si osserva l’emergere di anomalie positive con un anticipo di alcuni giorni rispetto alla conclusione degli eventi, come documentato nella Figura 2c. Queste anomalie positive a 850 hPa sono correlate con l’advessione meridionale di masse d’aria più fredde della media, un fenomeno che si accompagna a marcate anomalie negative della temperatura dell’aria a due metri.

Questo fenomeno di raffreddamento contrasta vivamente con le condizioni riscontrate all’avvio degli eventi di riflessione, durante i quali le anomalie positive di temperatura nel nord-est del Pacifico sono associate a movimenti ascensionali di aria calda, come evidenziato dalle anomalie positive di v’T’ rilevate in quella regione. Tale dinamica sottolinea un’inversione termica tra i livelli più bassi e quelli più alti dell’atmosfera, segnalando un complesso interplay di flussi di calore e movimenti d’aria che differiscono significativamente tra i vari strati.

L’analisi dell’evoluzione delle anomalie di temperatura dell’aria conferma ulteriormente che il comportamento osservato a 850 hPa differisce sostanzialmente da quello manifestato nei livelli stratosferici e nella troposfera superiore, come si può osservare nella Figura A2. Mentre i livelli alti mostrano una certa coerenza nel comportamento delle anomalie termiche, il livello a 850 hPa si distingue per una dinamica propria, contrassegnata da un rapido cambiamento delle condizioni termiche in risposta agli eventi di riflessione.

Complessivamente, durante gli eventi di riflessione, la stratosfera e la troposfera superiore sono caratterizzate dalla predominanza di anomalie termiche positive di v’T’, che oscillano tra domini geografici definiti. Tali anomalie sono originariamente generate dalla propagazione verso ovest di anomalie negative e dalla conseguente generazione di nuove anomalie positive downstream, un processo che si manifesta chiaramente nel dominio canadese.

Nel dominio canadese, interessante è la presenza di anomalie positive anche ai livelli troposferici inferiori, emergenti alcuni giorni prima della fine degli eventi di riflessione. Queste mostrano un segno opposto rispetto a quello osservato ai livelli superiori nel medesimo intervallo temporale. Le anomalie positive a basso livello sono associate a una diminuzione generalizzata delle temperature dell’aria a due metri durante gli eventi di riflessione, evidenziando un interessante fenomeno di disaccoppiamento termico tra i diversi strati dell’atmosfera.

Tale analisi dettagliata dell’evoluzione delle anomalie termiche durante gli eventi di riflessione fornisce dunque una comprensione più approfondita delle interazioni dinamiche all’interno dell’atmosfera, offrendo spunti cruciali per la comprensione dei meccanismi di riflessione delle onde atmosferiche e delle loro implicazioni climatiche su scala regionale e globale.

La Figura 1 mostra una rappresentazione dettagliata delle anomalie standardizzate del flusso di calore eddico meridionale (v’T’) per i domini siberiano e canadese, correlate agli eventi di riflessione delle onde atmosferiche. Questa rappresentazione è fondamentale per comprendere la distribuzione e l’intensità delle anomalie termiche durante tali eventi, fornendo una chiave di lettura approfondita delle dinamiche atmosferiche a scala sinottica.

I pannelli (a) e (b) illustrano le anomalie medie registrate nel dominio siberiano, esteso tra i 45° e i 75° di latitudine Nord e tra i 140° e i 200° di longitudine Est, relative rispettivamente all’inizio e alla conclusione degli eventi di riflessione. Similmente, i pannelli (c) e (d) rappresentano le stesse metriche per il dominio canadese, compreso tra i 45° e i 75° di latitudine Nord e tra i 230° e i 280° di longitudine Est. In ciascun grafico, l’asse verticale rappresenta la pressione atmosferica, espressa in hPa, che diminuisce con l’aumentare dell’altitudine, mentre l’asse orizzontale mostra i giorni relativi rispetto all’evento di riflessione, con il giorno zero corrispondente alla data dell’evento stesso.

La scala cromatica varia dal blu al rosso, indicando rispettivamente anomalie negative e positive rispetto alla media climatica standardizzata. L’intensità del colore riflette l’entità dell’anomalia. Le aree tratteggiate orizzontalmente denotano anomalie negative significative, mentre le aree con tratteggio a croce indicano anomalie positive significative.

Nel dominio siberiano, come mostrato nei pannelli (a) e (b), si osserva una predominanza di anomalie positive al centro della finestra temporale, con anomalie negative significative che emergono prima e dopo questo periodo. Questo pattern suggerisce una marcata variabilità nelle condizioni termiche e nel comportamento del flusso atmosferico durante l’evoluzione degli eventi di riflessione.

Analogamente, nei pannelli (c) e (d) relativi al dominio canadese, si evidenziano anomalie positive significative intorno al giorno zero, con una transizione verso anomalie negative significative sia prima sia dopo l’evento di riflessione. Questa distribuzione è indicativa di un’interazione complessa tra i movimenti verticali e orizzontali dell’aria che modulano le temperature a livello regionale.

In sintesi, la Figura 1 offre uno spaccato esemplare delle variazioni di v’T’ associate agli eventi di riflessione delle onde, dimostrando come le anomalie termiche si manifestano e si sviluppano in relazione alla struttura verticale dell’atmosfera e agli specifici processi dinamici in atto. Tale analisi è cruciale per gli studi climatologici e meteorologici, in quanto facilita la comprensione dei meccanismi alla base dei cambiamenti nei pattern di circolazione atmosferica e delle loro implicazioni per il clima a scala più ampia.

La Figura 2 illustra dettagliatamente le anomalie del flusso di calore eddico meridionale (v’T’) attraverso un diagramma di Hovmöller, che espone la dinamica longitudinale e temporale di tali anomalie in concomitanza con la conclusione degli eventi di riflessione delle onde. Questo strumento analitico è cruciale per visualizzare le variazioni delle anomalie nel corso del tempo e lungo diverse longitudini, permettendo una comprensione approfondita della loro distribuzione geografica e della loro evoluzione.

Il diagramma si compone di tre pannelli principali, ciascuno rappresentante un diverso livello di pressione atmosferica:

• (a) 100 hPa: Questo pannello visualizza le anomalie in un livello alto dell’atmosfera, prossimo alla stratosfera inferiore. La variazione delle anomalie è rappresentata mediante una gamma cromatica che spazia dal verde chiaro al viola scuro, indicando un incremento nell’intensità delle anomalie positive, mentre le tonalità di blu delineano le anomalie negative.
• (b) 250 hPa: Le anomalie sono qui rappresentate a un livello intermedio, nella troposfera superiore. Il pattern di colorazione e la disposizione delle anomalie possono variare leggermente rispetto al livello più alto, riflettendo differenze nell’intensità e nella localizzazione longitudinale delle anomalie stesse.
• (c) 850 hPa: Mostra le anomalie a un livello vicino alla superficie terrestre. Oltre alle anomalie di v’T’ evidenziate dalla scala di colori di sfondo, questo pannello incorpora anche contorni che rappresentano le anomalie di temperatura dell’aria a 2 metri, con contorni continui rossi per le anomalie positive e contorni blu tratteggiati per quelle negative. Questo livello mostra una complessità maggiore rispetto ai livelli superiori, riflettendo un’interazione più dettagliata tra la superficie terrestre e l’atmosfera inferiore.

Elementi Grafici e Simbologia nel Diagramma:

• Tratteggi Orizzontali e a Croce: I tratteggi orizzontali segnalano anomalie negative significative, mentre il tratteggio a croce indica anomalie positive significative, fornendo un’immediata percezione visiva delle aree con variazioni termiche maggiormente rilevanti.
• Linea Verde Continua: Rappresenta il giorno mediano di inizio degli eventi di riflessione, fungendo da riferimento temporale per l’analisi delle anomalie.
• Linee Verticali: Queste linee marcano le longitudini dei domini siberiano (linea arancione puntinata) e canadese (linea viola tratteggiata), aiutando a localizzare geograficamente le anomalie rispetto a queste aree chiave.

In sintesi, il diagramma di Hovmöller nella Figura 2 è fondamentale per analizzare e comprendere la complessa dinamica delle anomalie di v’T’ in relazione agli eventi di riflessione delle onde, evidenziando come le interazioni tra differenti strati dell’atmosfera influenzino i fenomeni meteorologici e climatici. Tale analisi risulta indispensabile per gli studi di climatologia e meteorologia predittiva, poiché permette di decifrare i meccanismi alla base delle variazioni climatiche e della loro proiezione nel tempo e nello spazio.

3.1.2 Evoluzione delle Anomalie dell’Altezza Geopotenziale e della Flusso di Attività d’Onda

Dopo aver delineato le anomalie di v’T’ che si propagano verso occidente alla conclusione degli eventi di riflessione, procediamo ora ad esaminare il legame tra queste dinamiche e l’evoluzione delle anomalie dell’altezza geopotenziale insieme alla Flusso di Attività d’Onda (WAF).

Un elemento distintivo degli eventi di riflessione è rappresentato da una cresta che si propaga verso occidente. Tale anomalia positiva dell’altezza geopotenziale emerge inizialmente a 100 hPa nel dominio canadese (Fig. 3 a). Questa anomalia si intensifica progressivamente e si propaga verso occidente nel corso dell’evento, estendendosi fino all’Europa entro il sesto giorno successivo all’inizio. Poco dopo la formazione della cresta, si verifica la comparsa di una depressione sopra l’Eurasia che persiste per l’intera durata degli eventi di riflessione. Una volta concluso l’evento, si forma una nuova depressione sul Nord America, situata a valle della cresta che continua a propagarsi verso occidente. A occidente della cresta, le anomalie ascendenti della WAF si correlano strettamente con le anomalie positive di v’T’ rilevate nel dominio siberiano (cfr. Fig. 2 a e 3 a), mostrando una componente orientale più marcata del normale dal giorno -15 fino al giorno zero. Al contrario, ad est della cresta, l’intensificazione della WAF verso il basso si associa alle anomalie negative di v’T’ osservate sul Nord America.

L’analisi delle dinamiche dell’altezza geopotenziale e della WAF a 250 hPa riflette in modo molto fedele quanto osservato a 100 hPa, sebbene con anomalie di intensità leggermente inferiore (Fig. 3 b). Sebbene il rinforzo significativo della cresta a 250 hPa si verifichi alcuni giorni dopo rispetto a quello a 100 hPa, l’anomalia negativa dell’altezza geopotenziale a valle della cresta si manifesta alcuni giorni prima rispetto al livello superiore.

Differenze notevoli emergono quando si considerano i livelli più bassi. A 850 hPa, le anomalie della WAF che inizialmente si manifestano verso il basso sopra il Nord America all’inizio degli eventi di riflessione, sono sostituite, intorno al giorno -10, da anomalie marcatamente orientate verso l’alto e l’est (Fig. 3 c). Questo cambiamento nella convergenza della WAF nella troposfera media, verificatosi prima della conclusione degli eventi di riflessione, è stato collegato da Millin et al. (2022) alla formazione di una depressione sopra il Canada. Contemporaneamente, le anomalie dell’altezza geopotenziale si propagano verso occidente e rimpiazzano l’anomalia negativa precedentemente osservata sul Nord Pacifico, in maniera analoga a quanto avviene ai livelli superiori. L’evoluzione a valle dell’anomalia negativa dell’altezza geopotenziale a 850 hPa si verifica circa dieci giorni prima rispetto ai livelli superiori, sottolineando una dinamica verticale complessa e stratificata durante gli eventi di riflessione delle onde.

La propagazione verso ovest della cresta durante le fasi terminali degli eventi di riflessione si associa all’incremento dell’Indice di Propagazione Sincronizzata (ISP) per le onde di Rossby, che presentano una velocità di fase verso ovest, come documentato nella Figura 3d. Inizialmente, dopo il giorno mediano di inizio degli eventi, si registra una soppressione dei valori di ISPwest, la quale è seguita da un aumento pressoché monotono fino a pochi giorni prima del termine degli eventi stessi. L’analisi dettagliata delle proprietà spettrali delle onde di Rossby è ulteriormente approfondita nella Sezione 3.1.3.

L’osservazione dell’evoluzione dei pattern spaziali delle anomalie dell’altezza geopotenziale rivela l’ampiezza emisferica degli eventi di riflessione, come illustrato nella Figura 4. Oltre alla cresta che si propaga verso ovest e alla conseguente formazione di una depressione a valle, in linea con quanto mostrato nella Figura 3, si evidenziano anche significative anomalie dell’altezza geopotenziale sopra l’Eurasia (nelle prime tre colonne della Figura 4). In particolare, un modello di treno d’onda di Rossby che si estende dall’Atlantico del Nord fino alla Siberia orientale suggerisce un modello di circolazione su scala emisferica intorno alla conclusione degli eventi di riflessione (Fig. 4 c e h). Questo schema, così come il cambiamento delle anomalie dell’altezza geopotenziale sopra il Nord America e il Pacifico, diventa ancora più marcato quando si confrontano l’inizio e la fine degli eventi di riflessione (Fig. 4 d e i).

Inoltre, l’evoluzione delle anomalie dell’altezza geopotenziale mostra una coerenza tra i 100 hPa e i 850 hPa (Fig. A3), sottolineando il carattere sostanzialmente barotropico degli eventi di riflessione. Le anomalie di temperatura associate alla formazione della cresta sopra il Nord Pacifico si allineano con le anomalie di v’T’ precedentemente discusse. Queste ultime indicano un’advezione di aria calda verso nord ai livelli superiori intorno alla cresta e una reindirizzamento verso sud sopra il Nord America (Fig. 4 e). Ai livelli inferiori, le anomalie di temperatura presentano un pattern più distinto rispetto a quello a 100 hPa, con un flusso di aria più calda della media direzionato prevalentemente verso il polo sopra l’Alaska circa quattro giorni prima (Fig. 4 j).

In sintesi, l’avvio degli eventi di riflessione è caratterizzato da un’anomalia dell’altezza geopotenziale positiva e verticalmente coerente ai livelli superiori sopra il Nord Canada. Questa anomalia si propaga verso ovest, raggiungendo la Siberia verso la conclusione degli eventi. Contemporaneamente, si manifesta un’anomalia dell’altezza geopotenziale negativa a valle sopra il Canada orientale, emergendo prima ai livelli inferiori e successivamente estendendosi verso la stratosfera. Ai livelli superiori, si osserva un’intensificazione della WAF ascendente sopra il dominio siberiano a ovest della cresta, e della WAF discendente sopra il Canada a est della cresta. Anomalie positive della WAF vicino alla superficie emergono sopra il Nord America dieci giorni prima della conclusione degli eventi di riflessione, enfatizzando la dinamica complessa e l’interconnessione tra i vari livelli atmosferici durante questi fenomeni climatici significativi.

La Figura 3 illustra un diagramma di Hovmöller che mette in evidenza le anomalie standardizzate dell’altezza geopotenziale, mediate tra i 45°N e i 75°N e centrate attorno alla data di fine degli eventi di riflessione atmosferica, per diversi livelli di pressione atmosferica: 100 hPa, 250 hPa e 850 hPa. Questo diagramma è fondamentale per analizzare la distribuzione e l’evoluzione temporale delle anomalie di altezza geopotenziale attraverso diverse quote dell’atmosfera.

I pannelli (a), (b) e (c) del diagramma visualizzano le anomalie rispettivamente per 100 hPa, 250 hPa e 850 hPa. Le anomalie sono rappresentate con una scala di colori, dove le tratteggiature orizzontali indicano anomalie negative significative, e le tratteggiature incrociate indicano anomalie positive significative, fornendo una chiara visualizzazione della varianza delle altezze geopotenziali rispetto alla media.

Le frecce presenti nei pannelli rappresentano le anomalie delle componenti zonale e verticale del Flusso di Attività d’Onda (WAF), come descritto da Plumb nel 1985. Queste frecce sono colorate in blu e rosso per indicare rispettivamente componenti verticali significativamente negative e positive del WAF, con l’inclusione solo di valori superiori a 0,1 deviazioni standard, sottolineando le dinamiche più influenti del flusso atmosferico durante gli eventi di riflessione.

Il pannello (d) mostra una serie temporale dell’Indice di Propagazione Sincronizzata (ISP) per le onde di Rossby che si propagano verso ovest, a 100 hPa e 250 hPa, evidenziando l’intervallo di confidenza al 95% attraverso un’area ombreggiata. La linea verde continua rappresenta il momento mediano di inizio degli eventi di riflessione, funzionando come un riferimento temporale critico per l’analisi. Le linee verticali contrassegnano le longitudini dei domini siberiano (arancione puntinato) e canadese (viola tratteggiato), facilitando la localizzazione geografica delle osservazioni relative agli eventi di riflessione.

In sintesi, questo diagramma di Hovmöller è essenziale per comprendere come le anomalie di altezza geopotenziale e i componenti del WAF interagiscono e si evolvono durante gli eventi di riflessione, offrendo una prospettiva dettagliata sulla dinamica delle onde di Rossby e sugli impatti atmosferici associati a tali eventi, con un’enfasi particolare sulla loro portata e significato climatico a livello emisferico.

La Figura 4 offre una rappresentazione dettagliata delle anomalie di altezza geopotenziale, delle anomalie di v’T’ e delle anomalie di temperatura durante gli eventi di riflessione delle onde, mostrate a diversi momenti chiave e a due distinti livelli di pressione atmosferica: 100 hPa e 500 hPa. Questa visualizzazione è strutturata in due righe, ognuna delle quali rivela l’evoluzione temporale e l’interazione tra queste variabili atmosferiche fondamentali.

Nei pannelli (a, f), le condizioni agli inizi degli eventi di riflessione sono illustrate con le anomalie dell’altezza geopotenziale rappresentate attraverso sfumature di colore, mentre le anomalie di v’T’ sono delineate da contorni verdi. Questi contorni aiutano a identificare la distribuzione e l’intensità delle anomalie di flusso di calore meridionale eddico all’inizio degli eventi.

I pannelli (b, g) mostrano la situazione quattro giorni prima della conclusione degli eventi di riflessione, seguendo la medesima notazione di (a, f) per fornire una visione coerente dell’evoluzione delle anomalie.

Nei pannelli (c, h), vengono visualizzate le condizioni alla data di fine degli eventi di riflessione, anch’esse con altezze geopotenziali in sfumature e anomalie di v’T’ in contorni verdi. Questa rappresentazione evidenzia le variazioni finali nelle configurazioni di altezza geopotenziale e di flusso termico alla conclusione degli eventi.

I pannelli (d, i) illustrano la differenza tra le condizioni all’inizio e alla fine degli eventi di riflessione, offrendo una panoramica comprensiva dell’evoluzione delle anomalie nel corso dell’evento.

Infine, i pannelli (e, j) presentano le anomalie di temperatura quattro giorni prima della fine degli eventi, con le anomalie di temperatura mostrate in sfumature, le anomalie dell’altezza geopotenziale in contorni viola, e le anomalie di v’T’ in contorni verdi. Questa configurazione fornisce un’ulteriore dettaglio sulle interazioni termiche e sulla dinamica atmosferica pre-finale.

Le tratteggiature orizzontali e incrociate segnalano rispettivamente anomalie negative e positive significative dell’altezza geopotenziale, essenziali per identificare le regioni dove le deviazioni dall’altezza media geopotenziale sono più marcate, influenzando così i movimenti verticali e i pattern climatici su larga scala.

Complessivamente, questa serie di diagrammi è cruciale per visualizzare e comprendere come le interazioni tra altezze geopotenziali, flussi di calore eddico meridionale e anomalie termiche evolvano e influenzino la dinamica atmosferica durante gli eventi di riflessione delle onde, mostrando differenze significative tra la stratosfera e la troposfera media. Questi insights sono indispensabili per gli studi climatologici avanzati e per la modellazione meteorologica predittiva.

3.1.3 Analisi delle Caratteristiche delle Onde di Rossby Durante gli Eventi di Riflessione Utilizzando l’Analisi Spettrale Spazio-Temporale

In questo segmento del nostro studio, ci impegniamo ad approfondire il comportamento dinamico delle onde di Rossby all’inizio e alla conclusione degli eventi di riflessione. Quest’analisi è effettuata mediante l’utilizzo dell’analisi spettrale spazio-temporale, come delineato nella Sezione 2.3. Attraverso tale metodologia, siamo in grado di quantificare e caratterizzare le variazioni nelle modalità di propagazione di tali onde atmosferiche, offrendo così nuove intuizioni sulle dinamiche a scala larga dell’atmosfera.

La nostra analisi rivela che, durante gli eventi di riflessione, si osserva un incremento significativo nelle onde di Rossby che si propagano verso ovest, dalla loro genesi alla loro terminazione. Specificatamente, al livello di 100 hPa durante la fase iniziale dell’evento, le onde che si propagano verso est, da 2 a 5, mostrano un’amplificazione marcata, mentre quelle che si propagano verso ovest subiscono un attenuazione. Questo fenomeno suggerisce la presenza di un flusso stratosferico notevolmente accelerato, come illustrato nella Figura 5a. Successivamente, si assiste a una prevalenza dell’attività delle onde di Rossby che si propagano verso ovest durante la fase terminale degli eventi, corroborando così le osservazioni precedenti riguardanti le anomalie che si propagano verso ovest, come documentato nella Figura 5b.

Il processo di decelerazione delle onde di Rossby, osservato durante l’evoluzione degli eventi di riflessione, è caratterizzato da un’intensificazione significativa dell’onda numero 1 e delle onde numero 3 e superiori che si propagano verso ovest, congiuntamente a una riduzione dell’attività delle onde che si propagano verso est, da 2 a 4, come mostrato nella Figura 5c. Le anomalie con numeri d’onda più alti sono localizzate in una regione dello spazio di fase con bassa potenza spettrale. Sebbene il loro contributo all’energia totale delle onde di Rossby e alla formazione di fosse e creste sia minore, esse supportano l’evidenza di un’attività incrementata per le onde di Rossby che retrocedono alla conclusione degli eventi di riflessione. Analogamente, la troposfera superiore mostra un pattern simile a quello osservato nella stratosfera, sebbene con variazioni meno pronunciate nell’onda numero 1 che si propaga verso ovest, come indicato nelle Figure da 5d a 5f. È interessante notare che l’attività delle onde di Rossby che si propagano verso ovest aumenta anche a livelli stratosferici superiori ai 100 hPa, come evidenziato nella Figura A4.

In termini di velocità di fase, osserviamo che durante gli eventi di riflessione, la velocità delle onde di Rossby nella colonna verticale che va da 850 hPa a 10 hPa mostra una riduzione progressiva, come si può vedere nella Figura 6a. Una maggiore velocità di fase nella bassa stratosfera e nella troposfera all’inizio degli eventi potrebbe indicare un flusso zonale più rapido, in accordo con l’intensificazione dell’attività delle onde che si propagano verso est. Tuttavia, verso la fine degli eventi, la velocità di fase si abbassa sotto la media lungo tutta la colonna verticale. Inoltre, dopo la conclusione degli eventi di riflessione, la velocità di fase rimane inferiore alla media e diminuisce ulteriormente nella stratosfera circa dieci giorni dopo, suggerendo un possibile indebolimento della circolazione stratosferica post-evento. Tale debolezza, sebbene non sia sufficiente a causare un calo significativo dei venti zonali medi zonali, potrebbe essere associata a un allungamento del vortice polare stratosferico, con un conseguente spostamento verso l’Eurasia, come evidenziato da Messori et al. (2022).

Le anomalie osservate nei profili ISP confermano una trasformazione nel comportamento delle onde di Rossby durante gli eventi di riflessione, evidenziando contempo significative differenze nella struttura verticale dell’atmosfera. L’analisi dettagliata rivela che, sebbene l’attività generale delle onde di Rossby tenda a rimanere prossima alla media climatologica, si registra un incremento marcato nella stratosfera successivamente alla conclusione degli eventi di riflessione, come illustrato nella Figura 6b. Particolarmente interessante è il comportamento osservato in ISPwest, dove si nota un aumento preminente dell’attività delle onde di Rossby già prima del termine degli eventi di riflessione. Questo fenomeno inizia a manifestarsi nella bassa troposfera intorno al giorno -9, per poi estendersi alla stratosfera circa cinque giorni dopo, come documentato nella Figura 6c.

La propagazione accentuata verso ovest delle onde di Rossby, che prende avvio nella bassa troposfera, si verifica in concomitanza con una significativa diminuzione delle temperature dell’aria a 2 metri sopra il Nord America, un evento precedentemente menzionato che successivamente si propaga ai livelli superiori. Questa dinamica è temporaneamente allineata con le anomalie positive registrate in ISPeast, le quali coincidono con periodi di velocità di fase incrementata all’inizio degli eventi di riflessione (confronta Fig. 6a e d). Al termine degli eventi di riflessione, ISPeast mostra una tendenza alla soppressione nella bassa troposfera, mentre si osserva un’intensificazione dell’attività delle onde di Rossby nella stratosfera.

Riassumendo, attraverso l’impiego dell’analisi spettrale spazio-temporale, emerge un chiaro potenziamento delle onde di Rossby che si propagano verso ovest in prossimità della conclusione degli eventi di riflessione. Tale fenomeno è particolarmente evidente per le onde numerate 1, 3 e 4, che manifestano una riduzione della velocità di fase al di sotto della norma. È rilevante sottolineare che l’attivazione delle onde di Rossby che si propagano verso ovest inizia nella bassa troposfera, approssimativamente nove giorni prima della fine degli eventi di riflessione, estendendosi successivamente alla stratosfera solo alcuni giorni più tardi. Questa sequenza di eventi sottolinea l’interconnesso comportamento dinamico delle onde di Rossby, che varia significativamente in risposta ai cambiamenti atmosferici durante gli eventi di riflessione.

La Figura 5 illustra le anomalie standardizzate della potenza spettrale delle onde di Rossby a due diversi livelli di pressione atmosferica, 100 hPa e 250 hPa, durante gli eventi di riflessione atmosferica. Questa rappresentazione è divisa in sei pannelli, ognuno dei quali mostra le variazioni delle onde di Rossby all’inizio, alla fine e la differenza netta tra queste due fasi per ciascun livello di pressione.

Nei pannelli superiori (a, b, c), relativi a 100 hPa, e nei pannelli inferiori (d, e, f), relativi a 250 hPa, le anomalie vengono visualizzate tramite sfumature di colore che variano dal blu, indicante valori inferiori alla media, al rosso, che denota valori superiori. La colorazione intensa segnala dove le onde di Rossby si discostano maggiormente dalla media climatologica stagionale, calcolata per i mesi invernali da dicembre a marzo.

Le linee nere nei diagrammi rappresentano i contorni dei valori medi su base stagionale, funzionali a fornire un riferimento per valutare l’entità delle anomalie rispetto alla norma. Le trame applicate su alcune aree dei diagrammi indicano la significatività statistica delle anomalie: le trame orizzontali segnalano anomalie negative significative, mentre quelle incrociate indicano anomalie positive significative.

L’analisi delle differenze, mostrate nei pannelli (c) e (f), è particolarmente rivelatrice poiché evidenzia le regioni in cui si verifica il maggiore cambiamento dinamico durante gli eventi di riflessione. Questi cambiamenti possono essere interpretati come indicativi di modifiche sostanziali nella propagazione e nell’intensità delle onde di Rossby, legate a variazioni nell’atmosfera che possono influenzare significativamente il tempo e il clima.

In sintesi, la Figura 5 fornisce un’analisi dettagliata e quantitativa del comportamento delle onde di Rossby durante gli eventi di riflessione, mostrando come esse variano in due distinti strati dell’atmosfera. Questa rappresentazione aiuta a comprendere le complesse interazioni tra le onde di Rossby e la dinamica atmosferica generale, offrendo spunti preziosi per ulteriori studi sulle loro implicazioni climatiche e meteorologiche.

La Figura 6 presenta un’analisi dettagliata delle anomalie standardizzate in relazione alla velocità di fase e al potere spettrale delle onde di Rossby, sia per quelle che si propagano verso ovest (ISPwest) sia per quelle che si propagano verso est (ISPeast), considerando un intervallo di pressione atmosferica che va da 850 hPa a 10 hPa. Questa analisi è focalizzata sul periodo immediatamente attorno alla conclusione degli eventi di riflessione atmosferica, coprendo un arco temporale di 60 giorni, da trenta giorni prima a trenta giorni dopo l’evento stesso.

Nel pannello (a), dedicato alla velocità di fase, osserviamo una mappatura delle anomalie che variano da valori inferiori alla media, indicati in blu, a valori superiori, rappresentati in rosso. Le anomalie significativamente negative sono segnalate con una trama orizzontale, mentre quelle positive con una trama incrociata. Questo schema offre una visione chiara di come la velocità di fase delle onde di Rossby varia nel tempo in relazione alla conclusione degli eventi di riflessione, fornendo indizi sulle dinamiche atmosferiche in gioco.

Il pannello (b) esplora le variazioni complessive del potere spettrale di tutte le armoniche delle onde di Rossby. Analogamente al pannello (a), le anomalie sono visualizzate con un gradiente di colore che enfatizza l’intensità delle deviazioni dalla norma, con le medesime convenzioni per la marcatura delle anomalie significative. Questo pannello rivela come il potere spettrale totale fluttui nel periodo considerato, offrendo una sintesi comprensiva delle variazioni energetiche delle onde.

I pannelli (c) e (d) si concentrano rispettivamente sulle onde di Rossby che si propagano verso ovest e verso est. Il pannello (c) mostra una pronunciata anomalia positiva emergente poco prima della fine dell’evento di riflessione, chiaramente evidenziata dalla trama incrociata che denota la sua significatività. Questo indica un’intensificazione delle onde che si propagano verso ovest in fase con la conclusione dell’evento di riflessione. Al contrario, il pannello (d) indica le variazioni nelle onde che si propagano verso est, con anomalie sia positive che negative che illustrano un pattern dinamico più complesso e variegato nel tempo e nella struttura verticale.

Complessivamente, la Figura 6 fornisce un’illustrazione esauriente e dettagliata delle modifiche nelle proprietà fisiche e nella dinamica delle onde di Rossby durante e intorno alla fine degli eventi di riflessione atmosferica. Questi dati sono fondamentali per capire come tali eventi influenzino la distribuzione energetica e la propagazione delle onde nell’atmosfera terrestre, con implicazioni significative per i modelli di previsione meteorologica e climatica.

3.2 Collegamento tra Eventi di Riflessione e l’Evoluzione dei Regimi Meteorologici nella Troposfera

Recenti studi, tra cui quelli condotti da Messori et al. (2022), hanno identificato e confermato un’associazione significativa tra gli eventi di riflessione atmosferica e le transizioni tra specifici regimi meteorologici, in particolare dal Trough del Pacifico (PT) al Ridge dell’Alaska (AKR). Questa correlazione è ulteriormente sostenuta dai modelli spaziali descritti nella Sezione 3.1.2, che mostrano coerenza con la transizione tra questi due regimi. La presente sezione si dedica all’analisi dettagliata delle caratteristiche del cambio di regime e delle sue somiglianze strutturali e dinamiche con gli eventi di riflessione.

Nel processo di transizione da PT a AKR, si osserva che il segnale relativo alle anomalie dell’altezza geopotenziale si estende attraverso la colonna atmosferica dalla stratosfera fino alla bassa troposfera. Questo segnale presenta un carattere barotropico distintamente simile a quello osservato durante gli eventi di riflessione, come illustrato nella Figura 7, pannelli a-c. Il processo inizia circa dodici giorni prima della data centrale del regime AKR con un’anomalia negativa dell’altezza geopotenziale localizzata a circa 140°O, caratteristica del regime PT. Segue poi un’anomalia positiva, corrispondente all’AKR, che gradualmente sostituisce il PT. Entrambe le anomalie mostrano una propagazione verso ovest, fenomeno coerente con quanto osservato durante gli eventi di riflessione, come evidenziato dal confronto con le Figure 3 e 7. Contestualmente, si forma una nuova anomalia negativa a valle del crinale, localizzata a circa 80°O durante il regime AKR, che persiste per un certo periodo successivamente alla transizione.

Le anomalie geopotenziali sono particolarmente evidenti nella media-alta troposfera, probabilmente a causa della definizione di questi regimi a 500 hPa, come indicato da Lee et al. (2023a). Inoltre, durante la transizione tra i regimi, il comportamento del Flusso d’Onda Atmosferico (WAF) mostra somiglianze con quello osservato durante gli eventi di riflessione. Tuttavia, si notano alcune differenze: una componente più marcata verso est ai livelli superiori e un’ascensione più accentuata del WAF a 850 hPa durante la transizione da PT a AKR.

Anche l’evoluzione delle anomalie di ISPwest durante la transizione di regime da PT a AKR mostra parallelismi con quelle osservate durante gli eventi di riflessione. In linea con la propagazione verso ovest del crinale, ISPwest registra valori anomali deboli durante il regime di PT e valori superiori alla media durante AKR, rivelando un cambiamento nel comportamento delle onde di Rossby che rispecchia quello osservato tra l’inizio e la fine degli eventi di riflessione, come mostrato nelle Figure 3d e 7d.

Le modificazioni nello spettro delle onde di Rossby dalla PT alla AKR sono inoltre coerenti con quelle osservate durante gli eventi di riflessione, ad eccezione dell’assenza di differenze significative per l’onda-1. La distinzione tra gli spettri di AKR e PT evidenzia un potenziamento della potenza spettrale per le onde che si propagano verso ovest-3 e 4, con ulteriori anomalie significative nelle regioni di spazio di fase con bassa potenza spettrale, come documentato nella Figura 8. Questi risultati sono in accordo con le modificazioni del comportamento delle onde di Rossby osservate durante gli eventi di riflessione.

In sintesi, l’analisi dettagliata conferma che la transizione dal regime meteorologico PT ad AKR presenta notevoli somiglianze con l’evoluzione atmosferica tipica degli eventi di riflessione, supportando così ulteriormente i risultati della ricerca precedente. Questa correlazione enfatizza l’importanza degli eventi di riflessione come indicatori significativi delle variazioni nei regimi meteorologici, che possono avere impatti profondi sulla dinamica climatica e meteorologica a scala globale.

La Figura 7 illustra le anomalie di vari parametri meteorologici osservate durante la transizione dal regime meteorologico del Pacific Trough (PT) all’Alaskan Ridge (AKR), concentrandosi attorno alla data centrale di AKR. La figura è composta da quattro pannelli distinti, ciascuno dei quali rappresenta le anomalie a diversi livelli di pressione atmosferica e le dinamiche correlate al flusso d’onda atmosferico e alla funzione di flusso integrato per le onde che si propagano verso ovest.

Il primo pannello mostra le anomalie di altezza geopotenziale e le direzioni del flusso d’onda atmosferico a un livello elevato di stratosfera (100 hPa). Le anomalie sono rappresentate con un gradiente di colore che varia dal blu, indicante valori inferiori alla media, al rosso, che denota valori superiori. Le frecce illustrano la direzione e l’intensità del flusso d’onda, evidenziando movimenti significativi nel flusso atmosferico in questa regione.

Il secondo pannello analizza lo stesso set di parametri ma a un livello di pressione più basso nella troposfera media (250 hPa). Le anomalie e le dinamiche del flusso sono visualizzate in modo analogo al primo pannello, offrendo una visione delle variazioni atmosferiche più vicine alla superficie terrestre.

Il terzo pannello approfondisce ulteriormente, esaminando le condizioni ancora più vicine alla superficie (850 hPa). Qui, particolare attenzione è rivolta alle intense anomalie positive e a un marcato flusso d’onda diretto, che rappresentano cambiamenti significativi nelle condizioni atmosferiche durante il cambio di regime meteorologico.

Il quarto pannello è un grafico lineare che traccia l’evoluzione della funzione di flusso integrato per le onde che si propagano verso ovest a 100 hPa e 250 hPa. Le curve mostrano le variazioni nell’intensità di questo parametro, con una fascia colorata che indica l’incertezza o la variabilità associata a queste misurazioni nel tempo.

Complessivamente, questi pannelli forniscono una comprensione approfondita di come le variazioni nella struttura verticale dell’atmosfera e nelle dinamiche di flusso contribuiscano alla transizione tra diversi regimi meteorologici, evidenziando in particolare l’importanza del comportamento delle onde di Rossby durante questi periodi di transizione critici. Le trame orizzontali e incrociate nei diversi pannelli segnalano la presenza di anomalie negative e positive significative, rispettivamente, ulteriormente arricchendo l’analisi della dinamica atmosferica in corso.

La Figura 8 fornisce una rappresentazione dettagliata delle anomalie nei spettri di potenza delle onde di Rossby associate ai regimi del Pacific Trough (PT) e dell’Alaskan Ridge (AKR), analizzate a due distinti livelli di pressione atmosferica, 100 hPa e 250 hPa. Questa analisi è divisa in sei pannelli che illustrano le anomalie durante i regimi PT e AKR, nonché le differenze tra questi due regimi, offrendo una panoramica comprensiva delle variazioni dinamiche durante tali transizioni meteorologiche.

I pannelli (a) e (d) si focalizzano sul regime PT a 100 hPa e 250 hPa, rispettivamente. In questi grafici, le anomalie negative sono rappresentate in tonalità di blu, indicando valori inferiori alla media, mentre le anomalie positive sono visualizzate in tonalità di giallo, segnalando valori superiori alla media. Le linee nere tracciano i contorni di costante potenza spettrale, evidenziando i cambiamenti significativi nella velocità di fase e nei numeri d’onda delle onde di Rossby durante il regime PT.

I pannelli (b) e (e) mostrano le anomalie durante il regime AKR a 100 hPa e 250 hPa. Qui, si osserva una predominanza di anomalie positive, che riflettono un incremento della potenza spettrale delle onde di Rossby rispetto al regime PT, illustrando un’intensificazione delle dinamiche atmosferiche sotto il regime AKR.

I pannelli (c) e (f) delineano le differenze nelle anomalie di potenza spettrale tra i regimi PT e AKR, per i livelli di 100 hPa e 250 hPa. Le aree colorate in rosso indicano un aumento della potenza spettrale, suggerendo che le onde di Rossby sono più energiche durante il regime AKR rispetto al PT. Al contrario, le aree in blu denotano una diminuzione della potenza spettrale, implicando una riduzione dell’attività delle onde di Rossby.

Questi dati sono cruciali per comprendere le modificazioni nelle caratteristiche delle onde di Rossby che accompagnano i cambiamenti nei regimi meteorologici. Le anomalie significative, segnalate dalle trame incrociate nei vari pannelli, enfatizzano le regioni dove le differenze tra i regimi sono più evidenti, offrendo spunti essenziali per analizzare le interazioni tra le dinamiche atmosferiche a grande scala e le transizioni tra diversi regimi meteorologici. L’analisi dettagliata fornisce una visione approfondita di come specifiche configurazioni delle onde di Rossby possano influenzare o essere influenzate dai cambiamenti nel comportamento atmosferico generale.

3.3 Regionalizzazione del segnale

Nelle sezioni precedenti, abbiamo esaminato approfonditamente la dinamica predominante sopra il Nord Pacifico, ma abbiamo anche riconosciuto l’influenza potenziale degli eventi di riflessione su altre aree dell’emisfero settentrionale. Un elemento distintivo nell’analisi presentata risiede nella metodologia adottata per la valutazione degli spettri delle onde spazio-temporali, che, a differenza dell’indice di riflessione, viene applicata a un intero dominio emisferico. Questo solleva interrogativi significativi riguardo alla predominanza degli eventi di riflessione nel modellare il segnale complessivo o se invece sia possibile che onde di Rossby non correlate contribuiscano in modo significativo alla firma spettrale osservata.

Per affrontare questa questione, si è proceduto all’analisi delle proprietà spettrali di un insieme selezionato di “eventi regionalizzati”. Questi eventi sono stati scelti basandosi sulla correlazione tra il campo dell’altezza geopotenziale a 100 hPa sopra il Nord Pacifico e gli eventi di riflessione, come dettagliato nella sezione 2.2. Le anomalie dell’altezza geopotenziale che caratterizzano il composito degli eventi regionalizzati mostrano, per definizione, un’allineamento con quelle osservate negli eventi di riflessione nelle regioni siberiana e canadese, ma sono evidenziate da ampiezze superiori (confronta Figure 4 e 9). Un’ulteriore analogia con gli eventi di riflessione è osservata nella propagazione verso ovest della cresta canadese, come illustrato nelle prime tre colonne della Figura 9.

Tuttavia, un confronto dettagliato tra gli eventi regionalizzati e quelli di riflessione rivela un minor grado di concordanza sul continente eurasiatico. Questa discrepanza è particolarmente marcata analizzando la differenza temporale tra i giorni di inizio e di fine degli eventi, sottolineando così l’unicità degli eventi di riflessione e il loro specifico legame con la circolazione atmosferica emisferica. Nonostante le distinte anomalie di altezza geopotenziale, 19 dei 63 eventi di inizio regionalizzati coincidono con l’inizio degli eventi di riflessione, e 17 dei 54 eventi di termine regionalizzati si sovrappongono con la conclusione degli eventi di riflessione, dimostrando che la definizione di eventi di riflessione basata sulle variazioni di temperatura e pressione nel Nord Pacifico corrisponde a un modello di anomalie dell’altezza geopotenziale relativamente sistematico in quella regione.

Gli eventi regionalizzati presentano anomalie di temperatura analoghe a quelle degli eventi di riflessione, sebbene con intensità minori nella stratosfera sopra il Canada (confronta Figure 4 e, j e 4 e, j). Inoltre, la firma degli eventi regionalizzati negli spettri spazio-temporali risulta simile a quella degli eventi di riflessione (confronta Figure 5 e 10). Durante gli eventi di inizio regionalizzati, si osserva una maggiore attività delle onde che si propagano verso est rispetto alla climatologia, mentre un’intensificazione delle onde di Rossby che si propagano verso ovest caratterizza gli eventi di fine.

La mancanza di una differenza significativa nella propagazione verso ovest durante gli eventi di inizio potrebbe essere attribuita a un’attività già accentuata di tale fenomeno durante il periodo di inizio. Tuttavia, la distinzione tra gli eventi di inizio e fine regionalizzati corrisponde, nella maggior parte delle regioni di fase spaziale rilevanti dal punto di vista climatologico, alle differenze osservate tra gli inizi e le conclusioni degli eventi di riflessione, inclusa la zona a 250 hPa.

In sintesi, la transizione verso un’attività predominante delle onde di Rossby che si propagano verso ovest è una caratteristica condivisa sia dagli eventi regionalizzati che da quelli di riflessione. Sebbene si registrino differenze nelle anomalie dell’altezza geopotenziale sull’Eurasia tra questi eventi, l’elemento distintivo di una cresta che si propaga verso ovest sopra il Nord Pacifico è chiaramente rappresentato negli eventi regionalizzati. Tale comportamento simile nello spettro spazio-temporale delle onde di Rossby in entrambi i tipi di eventi enfatizza l’efficacia dell’analisi spettrale spazio-temporale emisferica nel quantificare le variazioni della dinamica delle onde di Rossby associate agli eventi di riflessione del Nord Pacifico.

La Figura 9 illustra una serie complessa di mappe sinottiche che rappresentano le anomalie standardizzate di altezza geopotenziale e di temperatura durante gli eventi regionalizzati, come delineato nella Sezione 2.2, per due distinti livelli di pressione atmosferica: 100 hPa e 500 hPa. Le mappe sono sistematicamente disposte in due file orizzontali corrispondenti ai suddetti livelli di pressione, e organizzate in cinque colonne verticali che offrono varie prospettive temporali e differenziali degli eventi analizzati.

Le prime due colonne di ciascuna fila (a, g per gli inizi degli eventi e b, h per le condizioni 4 giorni prima della conclusione degli eventi) espongono le anomalie di altezza e temperatura al momento specificato, evidenziando le deviazioni rispetto alla norma climatologica. Queste anomalie sono rappresentate attraverso un gradiente cromatico che varia dal blu e verde, indicativi di valori inferiori alla media, al rosso e arancione, che denotano valori superiori alla norma.

La terza colonna (c, i) dettaglia le anomalie al termine degli eventi, permettendo un confronto diretto con le condizioni iniziali e pre-finale per valutare l’evoluzione temporale delle masse d’aria e delle configurazioni di temperatura.

La quarta colonna (d, j) è particolarmente rivelatrice, in quanto visualizza la differenza delle anomalie di altezza tra l’inizio e la fine degli eventi. Questa analisi differenziale svela le dinamiche verticali dell’atmosfera in risposta agli eventi regionalizzati, sottolineando le aree di maggiore variazione barica e termica.

Infine, la quinta colonna (e, k) estende l’analisi differenziale mostrando le variazioni delle anomalie di altezza quattro giorni dopo la conclusione degli eventi rispetto all’inizio, offrendo una visione ulteriore sulla persistenza o modificazione delle strutture atmosferiche oltre il termine degli eventi stessi.

Complessivamente, questa figura fornisce una visione dettagliata e multidimensionale delle variazioni atmosferiche associate agli eventi regionalizzati, permettendo agli studiosi di identificare e analizzare i pattern di comportamento atmosferico, quali la formazione e la migrazione di creste e valli bariche, e la loro evoluzione temporale in risposta a dinamiche atmosferiche regionali. La presenza di linee di contorno e vettori indicativi all’interno delle mappe arricchisce ulteriormente la comprensione dei flussi atmosferici e delle loro interazioni durante tali eventi.

La Figura 10 illustra dettagliatamente le anomalie degli spettri energetici associati agli eventi regionalizzati a due diversi livelli di pressione atmosferica: 100 hPa e 250 hPa. Questi spettri sono essenziali per analizzare la distribuzione energetica delle onde atmosferiche, offrendo una panoramica quantitativa sulla variazione delle energie attraverso i diversi stadi degli eventi. Le mappe sono colorate in base alla deviazione delle energie dalla media climatologica, con una scala cromatica che passa dal blu, per valori inferiori alla media, al rosso, per valori superiori.

I pannelli superiori (a), (b) e (c) rappresentano rispettivamente le condizioni all’inizio, alla fine e la differenza netta tra inizio e fine degli eventi a un livello di pressione di 100 hPa. Il pannello (a) mostra un’immagine iniziale delle anomalie energetiche, dove le zone in blu indicano un’energia inferiore alla norma, mentre le aree in rosso denotano un surplus energetico. Procedendo al pannello (b), si osserva un incremento delle aree rosse, suggerendo un aumento significativo dell’energia delle onde verso la fine degli eventi, il che può indicare un’intensificazione dei fenomeni atmosferici in corso o lo sviluppo di nuove dinamiche. Il pannello (c) fornisce una comparazione diretta mostrando le differenze energetiche, con un aumento evidente dell’intensità e della copertura delle aree rosse, il che riflette un’accresciuta attività atmosferica durante l’evento.

I pannelli inferiori (d), (e) e (f) espongono lo stesso schema di analisi ma a un livello di pressione di 250 hPa. Nel pannello (d), le anomalie iniziali mostrano una distribuzione simile a quella osservata a 100 hPa, ma con alcune variazioni nella disposizione e intensità delle zone energetiche. Passando al pannello (e), si evidenzia un ulteriore incremento delle anomalie positive, particolarmente nelle onde con velocità di fase positiva, che potrebbe segnalare una crescente influenza delle dinamiche atmosferiche alla fine degli eventi. Infine, il pannello (f) dettaglia l’aumento delle energie tra l’inizio e la fine degli eventi, sottolineando un’intensificazione generalizzata delle onde atmosferiche.

Questa figura fornisce una visione complessa e dettagliata del comportamento delle energie delle onde atmosferiche durante gli eventi regionalizzati, evidenziando come i cambiamenti energetici possano influenzare significativamente la dinamica atmosferica globale. La comprensione di tali variazioni è cruciale per gli studi climatologici e meteorologici, poiché offre spunti fondamentali sulle interazioni dinamiche all’interno dell’atmosfera che possono avere impatti diretti sui modelli climatici e meteorologici.

3.4 Influenza sulle condizioni di ventosità in Europa

La correlazione tra episodi di freddo severo nel Nord America e fenomeni meteorologici estremi, quali precipitazioni abbondanti e aumenti significativi della ventosità in Europa, ha suscitato un crescente interesse accademico. Questi fenomeni sono spesso descritti come estremi pan-atlantici, come attestato da studi recenti (Messori et al., 2016; Ding et al., 2022; Leeding et al., 2023a, b; Riboldi et al., 2023; Messori e Faranda, 2023). I nostri risultati non solo confermano le osservazioni precedenti riguardanti l’associazione tra gli eventi di riflessione atmosferica sopra il Pacifico Settentrionale e le riduzioni termiche in Nord America (Messori et al., 2022; Kodera et al., 2016; Kretschmer et al., 2018; Matthias e Kretschmer, 2020), ma evidenziano anche anomalie significative nella circolazione atmosferica a scala emisferica nelle medie latitudini.

Dati questi risultati e considerando la letteratura esistente sugli estremi pan-atlantici, la presente analisi si propone di esaminare se gli eventi di riflessione possano essere correlati con anomalie nel vento a 10 metri sul suolo europeo. Recenti indagini di Riboldi et al. (2023) hanno delineato due meccanismi potenziali attraverso i quali le basse temperature in Nord America possono essere connesse a eventi di vento estremo in Europa. L’evoluzione atmosferica durante gli eventi di riflessione sembra conformarsi al primo meccanismo proposto. Questo implica la propagazione di un treno d’onda di Rossby dal Pacifico Settentrionale, che porta all’intensificazione del getto zonale eddico dell’Atlantico Nord e a condizioni di ventosità estrema nell’Europa nord-occidentale, verificandosi alcuni giorni dopo il picco della fase più fredda in Nord America.

Generalmente, le temperature più basse in Nord America si registrano alcuni giorni prima della conclusione di un evento di riflessione (Messori et al., 2022; Millin et al., 2022). Di conseguenza, ci si aspetterebbe di osservare fenomeni di ventosità estrema in Europa in prossimità della fine degli eventi di riflessione. Confermando questa ipotesi, si osserva, il giorno successivo alla data di termine dell’evento, un incremento marcato delle velocità medie del vento attraverso l’Europa nord-occidentale, sebbene tale aumento sia relativamente modesto, dell’ordine di 1 ms−1 (Fig. 11 a e Fig. A6). Nonostante ciò, le velocità del vento superano il percentile 98° locale, un indice spesso utilizzato per identificare fenomeni di vento dannosi, con una frequenza da due a cinque volte superiore alla media (Fig. 11 b). Conformemente al meccanismo descritto da Riboldi et al. (2023), si nota inoltre un rinforzo del getto d’aria sopra l’Atlantico settentrionale, con la regione di uscita del getto situata sopra l’Europa nord-occidentale (Fig. 11 c e Fig. A6).

Queste osservazioni suggeriscono una connessione precedentemente non documentata tra gli estremi di vento in Europa e gli eventi di riflessione nel Pacifico settentrionale. Le anomalie nel getto d’aria identificate sono coerenti con precedenti studi sulla relazione tra eventi di riflessione e dinamiche atmosferiche sull’Atlantico settentrionale (Kodera et al., 2016) e con l’impatto sulla circolazione troposferica degli eventi di onda stratosferica zonalmente mediata che si propagano verso il basso (Dunn-Sigouin e Shaw, 2015; Shaw et al., 2014; Shaw e Perlwitz, 2013).

La Figura 11 illustra una serie di mappe che evidenziano le variazioni nella velocità del vento a 10 metri e le anomalie del vento zonale ad alta quota in Europa, a seguito degli eventi di riflessione studiati. Questa analisi dettagliata offre una visione complessa dell’influenza di tali eventi meteorologici su scala emisferica sulle condizioni climatiche regionali.

1. Panello (a) – Anomalie della velocità del vento a 10 metri in Europa un giorno dopo la fine degli eventi di riflessione: La mappa in questo pannello mostra le anomalie nella velocità del vento misurate a 10 metri dal suolo. Le anomalie sono espresse in metri al secondo (m/s) e indicano variazioni rispetto alla norma climatica. Le aree in rosso rappresentano un incremento della velocità del vento rispetto al normale, suggerendo una risposta diretta agli eventi di riflessione. Al contrario, le aree in blu mostrano una riduzione della velocità del vento, evidenziando come variazioni atmosferiche a grande scala possano influenzare differentemente specifiche regioni.

2. Panello (b) – Frequenza con cui la velocità del vento a 10 metri supera il 98° percentile locale: Questo pannello presenta una mappa della frequenza normalizzata con cui la velocità del vento a 10 metri supera il 98° percentile, calcolata in relazione a una frequenza climatologica del 2%. Le aree visualizzate in vari toni di marrone chiariscono dove la frequenza di superamento di questa soglia critica sia superiore alla media (≥ 1), suggerendo un impatto significativo degli eventi di riflessione sulla severità delle condizioni di vento. Le aree in blu, dove la frequenza è inferiore alla media (≤ 1), indicano una minor incidenza di eventi di vento estremo. Le regioni puntinate indicano una frequenza di superamento del percentile significativamente elevata, almeno 2,5 volte oltre la media stagionale (DJFM), denotando zone di particolare interesse per ulteriori studi e monitoraggio.

3. Panello (c) – Anomalie del vento zonale a 250 hPa: La mappa in questo pannello mostra le anomalie nella velocità del vento zonale a un livello di pressione di 250 hPa, che corrisponde a una quota nella troposfera alta. Le anomalie positive, visualizzate in toni di giallo e verde, rappresentano un incremento della velocità del vento zonale, che può essere associato a un rinforzo del getto d’aria. Le anomalie negative, mostrate in blu, riflettono una diminuzione della velocità del vento zonale. Il riquadro rosso delimita la regione utilizzata per calcolare la forza media del getto, come mostrato nella Figura A6, offrendo una visione focalizzata sull’impatto degli eventi di riflessione sulla dinamica del getto d’aria.

Queste visualizzazioni forniscono un quadro esaustivo e dettagliato di come eventi atmosferici su larga scala possano modulare le condizioni meteorologiche locali e regionali, evidenziando l’interazione complessa tra dinamiche atmosferiche e fenomeni meteorologici estremi al suolo.

4 Discussione e Conclusioni

Gli eventi di riflessione ondulatoria stratosferica, identificati tramite anomalie nel flusso di calore eddico meridionale v′T′ a 100 hPa nell’area del Pacifico settentrionale, esibiscono una struttura verticale distintiva. Significative anomalie di v′T′ predominano nella stratosfera, evidenziando un modello che varia il segno alternativamente prima dell’inizio e dopo la conclusione degli eventi di riflessione. Questo fenomeno è associato alla propagazione verso ovest di un crinale che si estende dal Canada fino alla Siberia e oltre, segnalando un cambiamento da una circolazione di tipo Pacific Trough (PT) a una di tipo Alaskan Ridge (AKR).

L’analisi spettrale spazio-temporale delle onde di Rossby rileva un incremento nell’attività delle onde che si propagano verso ovest, simile sia durante gli eventi di riflessione che nelle transizioni di regime da PT ad AKR. Tuttavia, i segnali stratosferici risultano essere più intensi durante gli eventi di riflessione. Poiché gli spettri delle onde di Rossby sono derivati da dati su scala emisferica, è stata implementata un’analisi regionalizzata per confermare che i segnali osservati negli spettri siano effettivamente connessi alla dinamica degli eventi di riflessione.

Ulteriori indagini evidenziano che gli eventi di riflessione sono correlati a un abbassamento delle temperature sopra il Nord America, confermando osservazioni di precedenti studi. Per la prima volta, tali eventi sono stati collegati anche a una frequenza insolitamente alta di estremi di vento in Europa. Questo legame mette in luce la portata trascontinentale degli impatti degli eventi di riflessione stratosferica.

Un risultato fondamentale del nostro studio è l’accelerazione della propagazione verso ovest delle onde di Rossby durante gli eventi di riflessione, che può essere spiegata dal rallentamento della circolazione atmosferica causato dall’assorbimento delle onde di Rossby nella stratosfera. In seguito al periodo di riflessione ondulatoria sopra il Pacifico settentrionale, le onde di Rossby che si propagano verso l’alto dal Pacifico nord-occidentale potrebbero alla fine essere assorbite, provocando un indebolimento e una disgregazione del vortice polare stratosferico, come illustrato in studi precedenti (Matsuno, 1971; Sjoberg e Birner, 2012; Polvani e Waugh, 2004; Reichler e Jucker, 2022).

Questa teoria è supportata dalla scarsa corrispondenza tra gli eventi Sudden Stratospheric Warmings (SSW) e gli eventi di riflessione documentati da Messori et al. (2022). In aggiunta, le onde planetarie di Rossby eccezionalmente forti osservate nella stratosfera sono coerenti con l’espansione del vortice polare stratosferico associata agli eventi di riflessione (Messori et al., 2022; Cohen et al., 2022). Di conseguenza, la circolazione modificata e il rinforzato Alaskan Ridge, che caratterizzano gli eventi di riflessione, si propagano verso ovest, mitigando le anomalie positive di v′T′ nella regione siberiana e marcando la conclusione degli eventi di riflessione. Questi risultati offrono nuove prospettive sulla dinamica atmosferica globale e sottolineano l’importanza di ulteriori ricerche per comprendere meglio le interazioni tra i diversi regimi atmosferici e le loro implicazioni climatiche a lungo termine.

Mentre l’amplificazione delle onde sull’Eurasia può innescare eventi di riflessione ondulatoria sopra il Pacifico settentrionale (Cohen et al., 2022), è plausibile che anche il Pacifico tropicale svolga un ruolo significativo, grazie alla sua correlazione con i fenomeni di blocco alle alte latitudini (Renwick e Wallace, 1996; Henderson e Maloney, 2018; Carrera et al., 2004). Precedenti studi hanno infatti stabilito un legame tra i pattern di blocco atmosferico e le riflessioni delle onde stratosferiche sopra il Pacifico settentrionale, sottolineando il loro impatto nella modulazione della temperatura dell’aria a 2 metri sopra il Nord America (Guan et al., 2020; Kodera et al., 2013; Millin et al., 2022). In questo contesto, l’attività dell’onda-1 si rivela cruciale (Ding et al., 2022; Kodera et al., 2016), contribuendo significativamente al collegamento tra troposfera e stratosfera (Dunn-Sigouin e Shaw, 2015; Shaw e Perlwitz, 2013). Tale osservazione trova conferma nella nostra analisi, che evidenzia un ruolo aggiuntivo dell’onda-1 durante gli eventi di riflessione stratosferica, mentre i cambiamenti osservati nelle onde-3 e 4 sembrano essere associati a transizioni dei regimi meteorologici troposferici.

Oltre al ruolo dell’onda-1, viene suggerito che un picco verticale dei venti zonali nella stratosfera media sia una condizione necessaria per la riflessione delle onde stratosferiche (Perlwitz e Harnik, 2004; Messori et al., 2022). Considerando l’incremento delle onde di Rossby che si propagano verso ovest durante gli eventi di riflessione, è possibile ipotizzare anche una connessione con la presenza di onde retrograde (Branstator, 1987; Kushnir, 1987; Madden e Speth, 1989; Raghunathan e Huang, 2019), o con il fenomeno recentemente identificato come ‘Oscillazione Stratosfera-Troposfera’ (Shen et al., 2023). Questi interrogativi aperti forniscono stimoli per ulteriori indagini, con l’obiettivo di approfondire la nostra comprensione dei meccanismi troposferici che influenzano gli eventi di riflessione delle onde sopra il Pacifico settentrionale e di esplorare le loro interconnessioni con altri modelli di accoppiamento stratosfera-troposfera.

Nonostante i meccanismi esatti che regolano l’inizio o la conclusione degli eventi di riflessione stratosferica sopra il Pacifico settentrionale rimangano ancora da definire, il nostro studio ha messo in luce una sequenza dinamica sistematica durante questi fenomeni. Abbiamo altresì identificato una possibile correlazione tra gli eventi di riflessione e gli episodi di venti estremi in Europa. Questi risultati, unitamente al calo delle temperature precedentemente osservato in Nord America, potrebbero contribuire significativamente alle capacità di previsione meteorologica a lungo termine, offrendo spunti preziosi per l’anticipazione di cambiamenti climatici estremi e per il miglioramento delle strategie di mitigazione dei rischi associati.

Appendix A: Additional Figures

La Figura A1 mostra una rappresentazione grafica delle anomalie termiche durante tutti i giorni degli eventi di riflessione, dalla loro comparsa fino alla loro conclusione. Questa mappa, focalizzata sull’area del Pacifico settentrionale, illustra le variazioni di calore trasversali, le quali sono indicative di significative dinamiche atmosferiche.

I contorni sulla mappa indicano le aree dove le anomalie termiche sono state particolarmente significative durante gli eventi di riflessione. Le zone colorate in tonalità di rosso rappresentano anomalie negative, suggerendo un movimento del calore verso il basso o una relativa diminuzione della temperatura, mentre le aree in tonalità di blu rappresentano anomalie positive, implicando un movimento del calore verso l’alto o un aumento relativo della temperatura.

La mappa include diverse scatole colorate e linee che delineano specifici domini geografici: – La scatola rossa tratteggiata indica il dominio siberiano, situato tra i 45°N e i 75°N di latitudine e tra i 140°E e i 200°E di longitudine. Questa area è fondamentale per la definizione degli eventi di riflessione, in quanto le anomalie osservate qui sono utilizzate per identificare tali eventi. – La scatola blu lineata rappresenta il dominio canadese, che si trova tra i 45°N e i 75°N di latitudine e tra i 230°E e i 280°E di longitudine. Anche questa regione è impiegata per caratterizzare e identificare gli eventi di riflessione. – L’area viola mostra il dominio utilizzato per ottenere eventi regionalizzati, come descritto in dettaglio nella Sezione 2.2 del documento di ricerca.

Questa figura è essenziale per capire come le variazioni di calore e i flussi energetici siano interconnessi con gli eventi di riflessione stratosferica e come tali eventi siano definiti ed analizzati nelle specifiche regioni geografiche. La visualizzazione fornisce un chiaro esempio visivo dell’interazione tra diverse masse d’aria e della dinamica associata agli eventi atmosferici complessi.

La Figura A2 è una rappresentazione dettagliata che illustra l’evoluzione temporale delle anomalie di temperatura dell’aria associata agli eventi di riflessione delle onde atmosferiche, osservate a diverse quote significative nella stratosfera e nella troposfera. Questo grafico è diviso in tre pannelli, ciascuno dei quali evidenzia le variazioni di temperatura a specifiche altitudini pressorie durante e intorno alla conclusione degli eventi di riflessione onde.

**1. Panello (a) – 100 hPa: Questo pannello mostra le anomalie di temperatura nell’alta stratosfera. Le variazioni di temperatura sono rappresentate attraverso una scala di colori che varia dal blu al rosso, dove il blu indica temperature significativamente inferiori alla media stagionale e il rosso indica temperature superiori. Le anomalie più intense sono confinate entro contorni scuri, suggerendo una concentrazione di fenomeni termici straordinari direttamente influenzati dagli eventi di riflessione delle onde.

**2. Panello (b) – 250 hPa: A questa quota, che si trova nella stratosfera inferiore, il grafico presenta un pattern di anomalie termiche frammentato, con chiara evidenza di variazioni tanto verticali quanto longitudinali. Questo suggerisce una dinamica atmosferica complessa influenzata da movimenti verticali di massa d’aria e da interazioni con la dinamica delle onde a grande scala.

**3. Panello (c) – 850 hPa: Focalizzandosi sulla troposfera inferiore, questo pannello rivela una distribuzione geograficamente più ampia delle anomalie termiche. Le zone di anomalie positive e negative si estendono su vasti territori, mostrando l’interazione tra i fenomeni di riflessione ondulatoria più elevati nell’atmosfera e i sistemi meteorologici al livello del suolo. Le transizioni evidenziate tra le diverse anomalie lungo le longitudini indicano come questi eventi possano modulare o essere modulati dai pattern climatici regionali.

In ognuno di questi pannelli, l’asse verticale che varia da -30 a +20 giorni rispetto alla fine degli eventi di riflessione, offre una chiara visualizzazione di come le temperature si modifichino nel tempo, fornendo una dimensione temporale all’impatto di tali eventi sulle temperature atmosferiche a diverse altezze. La variazione gradiente del colore da tonalità fredde a calde facilita l’interpretazione delle anomalie termiche rispetto alla norma, permettendo una comprensione visiva immediata dell’entità e della direzione delle deviazioni termiche.

La Figura A3 è una rappresentazione complessa e dettagliata delle anomalie di vorticità potenziale (PV) e delle anomalie di temperatura atmosferica, osservate a diversi livelli di pressione durante gli eventi di riflessione delle onde atmosferiche. Questo insieme di mappe a proiezione polare è disposto su cinque diversi livelli di pressione: 10 hPa, 100 hPa, 250 hPa, 500 hPa, e 850 hPa, ognuno dei quali è visualizzato in una fila distinta che attraversa la figura dall’alto verso il basso. Ogni colonna all’interno della figura corrisponde a una specifica fase temporale o a una comparazione tra queste fasi relative agli eventi di riflessione delle onde.

Le colonne della Figura A3 sono organizzate nel modo seguente:

• Colonne (a) e (b): Visualizzano le anomalie registrate all’inizio degli eventi di riflessione e quattro giorni dopo l’inizio. Queste mappe forniscono un’immagine iniziale e una evoluzione precoce dell’evento.
• Colonne (c) e (d): Illustrano le anomalie al culmine dell’evento e quattro giorni successivi, offrendo una panoramica della massima intensità dell’evento e delle sue immediate conseguenze.
• Colonna (e): Presenta le differenze tra le anomalie al picco e all’inizio degli eventi, mettendo in evidenza le variazioni significative nella dinamica atmosferica tra questi due momenti.
• Colonna (f): Mostra le anomalie registrate quattro giorni dopo la conclusione degli eventi, fornendo una prospettiva sulle condizioni atmosferiche post-evento.

Dettagli sulle anomalie visualizzate nelle mappe:

• Anomalie di vorticità potenziale (PV): Rappresentate con linee colorate, dove i colori caldi come il rosso indicano un incremento della vorticità, segnalando condizioni più dinamiche e potenzialmente instabili, mentre i colori freddi come il blu indicano una diminuzione, suggerendo condizioni più stabili.
• Anomalie di temperatura: Sono mostrate con sfondi graduali che vanno dal blu, per temperature inferiori alla media, al rosso, per temperature superiori alla media, illustrando così il riscaldamento o raffreddamento relativo rispetto alla norma climatica.

Significato e implicazioni di queste osservazioni:

• L’analisi di queste mappe fornisce una visione completa di come le condizioni atmosferiche mutano nei diversi strati dell’atmosfera durante gli eventi di riflessione delle onde. L’esame delle differenze tra i vari momenti chiave (colonna e) è particolarmente utile per comprendere l’impatto dinamico degli eventi di riflessione sull’atmosfera globale.
• Osservare le evoluzioni e le dissoluzioni delle anomalie attraverso le diverse fasi degli eventi di riflessione offre spunti cruciali su come tali eventi possano influenzare il clima e le condizioni meteorologiche a scala mondiale.

In sintesi, la Figura A3 facilita un approfondimento senza precedenti delle dinamiche verticali e temporali degli eventi di riflessione delle onde, essenziale per migliorare i modelli climatici e affinare le previsioni meteorologiche.

La Figura A4 rappresenta un’analisi dettagliata delle anomalie di vorticita atmosferica attorno agli eventi di riflessione delle onde atmosferiche, esplorate a due distinti livelli di pressione: 10 hPa e 50 hPa. Queste visualizzazioni offrono una visione approfondita di come i pattern di movimento ondulatorio e la vorticita cambiano significativamente durante questi eventi.

Descrizione dei Pannelli:

• (a) e (d) Inizio Evento (10 hPa e 50 hPa): Questi pannelli mostrano le condizioni atmosferiche all’inizio degli eventi di riflessione. Le tonalità di blu indicano anomalie negative, suggerendo un’attenuazione o una diminuzione della vorticita in queste aree, mentre le linee concentriche rappresentano i livelli di vorticita presenti inizialmente.
• (b) e (e) Fine Evento (10 hPa e 50 hPa): In questi pannelli, le tonalità di arancione e giallo predominano, indicando un aumento delle anomalie positive, ossia un incremento della vorticita a seguito degli eventi di riflessione. Questo cambiamento mostra un’intensificazione dei movimenti ondulatori nell’atmosfera superiore.
• (c) e (f) Differenza di Anomalie (10 hPa e 50 hPa): Questi pannelli illustrano le differenze nelle anomalie di vorticita tra l’inizio e la fine degli eventi, mettendo in evidenza le aree di maggior cambiamento. La variazione da tonalità più fredde a più calde indica un’evoluzione significativa nell’intensita e nella struttura delle onde atmosferiche.

Implicazioni Scientifiche:

Le mappe forniscono una comprensione essenziale delle dinamiche verticali e temporali degli eventi di riflessione ondulatoria nell’alta atmosfera. Analizzando la velocità di fase delle onde contro il loro numero d’onda, queste visualizzazioni offrono un quadro completo delle caratteristiche delle onde e delle loro variazioni durante gli eventi di riflessione. In particolare, i pannelli che mostrano le differenze (c e f) sono cruciali per identificare le alterazioni più significative nella struttura e nell’intensità delle onde.

Queste osservazioni sono di vitale importanza per meteorologi e climatologi che studiano le interazioni tra la stratosfera e la troposfera e il loro impatto sul clima e sulle condizioni meteorologiche globali. La capacita di monitorare e analizzare queste dinamiche consente di migliorare la comprensione dei meccanismi che guidano la variabilita del clima e di affinare i modelli previsionali atmosferici.

La Figura A5 presenta una dettagliata illustrazione delle anomalie degli spettri di vorticità in relazione a due distinti regimi atmosferici—il Pacific Trough (PT) e l’Alaskan Ridge (AKR)—esaminati a due differenti altitudini stratosferiche: 10 hPa e 50 hPa. Le mappe sono disposte per mostrare le condizioni specifiche di ciascun regime e le differenze nette tra questi due pattern climatici, fornendo una panoramica chiara su come i regimi atmosferici possono influenzare la dinamica della vorticità.

Dettaglio dei Pannelli:

• Pannelli (a, d) – Regimi PT (10 hPa e 50 hPa): Questi pannelli rappresentano le anomalie di vorticità durante il regime del Pacific Trough alle due diverse altitudini. Le aree colorate in tonalità di blu indicano anomalie negative, suggerendo una diminuzione della vorticità caratteristica di questo regime atmosferico. Le linee contornate evidenziano i livelli specifici di vorticità, descrivendo la struttura atmosferica predominante sotto il regime PT.
• Pannelli (b, e) – Regimi AKR (10 hPa e 50 hPa): In questi pannelli, le tonalità di giallo e arancione predominano, indicando anomalie positive. Ciò suggerisce un incremento della vorticità associato al regime di Alaskan Ridge, contrapponendosi così al regime PT. Queste anomalie positive riflettono un ambiente più dinamico e potenzialmente più instabile sotto l’influenza dell’AKR.
• Pannelli (c, f) – Differenze tra PT e AKR (10 hPa e 50 hPa): I pannelli finali mostrano le differenze dirette nelle anomalie di vorticità tra i due regimi. Le zone colorate in arancione rappresentano aree dove l’AKR manifesta un aumento significativo della vorticità rispetto al PT. Questa rappresentazione visiva enfatizza le modifiche più rilevanti nella struttura e intensità delle onde atmosferiche causate dalla transizione tra i due regimi.

Implicazioni Scientifiche:

Le mappe in questa figura sono fondamentali per comprendere come specifici schemi climatici influenzino la distribuzione e l’intensità della vorticità nell’alta atmosfera. I regimi di PT e AKR sono noti per il loro impatto significativo sulla dinamica climatica del Pacifico settentrionale e conseguentemente sui modelli meteorologici e climatici globali. Attraverso la comparazione visiva diretta, evidenziata nei pannelli di differenza, è possibile discernere come le transizioni tra questi regimi modulino o alterino le condizioni atmosferiche prevalenti. Questo tipo di analisi risulta cruciale per i climatologi e i meteorologi impegnati nel prevedere e comprendere le variazioni meteorologiche e climatiche, specialmente in relazione agli eventi estremi e alla variabilità climatica a lungo termine.

La Figura A6 fornisce un’analisi dettagliata delle anomalie nelle velocità del vento a 10 metri e della forza del getto atmosferico sopra il Nord Europa e l’Atlantico Settentrionale, rispettivamente. Il grafico mette in evidenza come queste variabili atmosferiche evolvono nei giorni che precedono e seguono la conclusione degli eventi di riflessione delle onde atmosferiche, fornendo insight significativi sulle interazioni tra la dinamica atmosferica ad alta quota e le condizioni meteorologiche al suolo.

Dettagli del Grafico:

• Linea Rossa (Anomalia della Forza del Getto): Questa curva rappresenta l’anomalia nella forza del getto atmosferico, calcolata come la media zonale delle velocità zonali del vento a 250 hPa sopra l’Atlantico Settentrionale, estendendosi da 15° a 75°N e da 70° a 0°W. La metodologia include l’applicazione di una media mobile centrata di 10 giorni per ogni latitudine per levigare le fluttuazioni giornaliere e successivamente identificare la velocità massima del vento, che definisce la forza del getto in un dato giorno in modo desezionalizzato.
• Linea Blu (Anomalia della Velocità del Vento a 10 Metri): Indica l’anomalia della velocità del vento a 10 metri, calcolata come la media ponderata per la latitudine delle velocità del vento registrate nei punti di terra del Nord Europa, specificatamente tra i 50-60°N di latitudine e 11°W-20°E di longitudine.
• Aree Ombreggiate: Rappresentano l’intervallo di confidenza al 95% per le medie calcolate, offrendo una stima della variabilità attesa per queste misurazioni in condizioni normali.
• Triangoli Rossi: Evidenziano le date in cui l’anomalia composita del getto supera il 95° percentile di una distribuzione riassortita composta da 10.000 medie di 45 giorni selezionati casualmente dalla climatologia, segnalando eventi eccezionalmente estremi.

Implicazioni Scientifiche:

Il grafico dimostra un significativo aumento delle anomalie sia nella velocità del vento a 10 metri che nella forza del getto intorno alla conclusione degli eventi di riflessione. Si osserva che l’anomalia del getto raggiunge un picco in concomitanza con la fine dell’evento di riflessione, seguita da un incremento simile nell’anomalia della velocità del vento, il che suggerisce una possibile correlazione tra l’intensità del getto atmosferico sull’Atlantico Settentrionale e gli estremi di vento registrati nel Nord Europa. Questi risultati implicano che le variazioni nella forza del getto possono influenzare o essere associate a cambiamenti significativi nelle condizioni meteorologiche a livello di superficie in Europa, in particolare durante o a seguito di eventi atmosferici significativi come le riflessioni delle onde. Tali informazioni sono cruciali per i climatologi e i meteorologi che studiano le dinamiche delle interazioni tra stratosfera e troposfera e il loro impatto sul clima globale e sulle condizioni meteorologiche estreme.