In questo passaggio si discute del collegamento tra l’Oscillazione Quasi-Biennale (QBO) equatoriale e l’atmosfera extratropicale. Viene spiegato che la circolazione media zonale nella stratosfera extratropicale presenta un ciclo stagionale molto più forte rispetto alla troposfera, con un effettivo rovesciamento dei venti da inverno a estate.
Durante la stagione invernale, la stratosfera ad alta latitudine si raffredda, formando un vortice occidentale profondo e forte. Questi venti forti sono sostituiti da venti orientali quando aumenta il riscaldamento solare in primavera e estate.
In entrambi gli emisferi, il ciclo stagionale che varia in modo continuo viene modificato dagli effetti delle onde di Rossby planetarie (o semplicemente onde planetarie), che sono in parte generate da contrasti tra terre e mari e dalla topografia della superficie terrestre. Queste onde si propagano verticalmente e meridionalmente nella stratosfera invernale, ma sono evanescenti nei venti medi orientali dell’emisfero estivo. In sintesi, il passaggio appena postato descrive come la circolazione nella stratosfera extratropicale sia influenzata dal ciclo stagionale e dalle onde di Rossby planetarie. Questo contesto è importante per comprendere come la QBO equatoriale possa essere collegata all’atmosfera extratropicale.
Le differenze nella distribuzione delle terre emerse e delle catene montuose tra l’emisfero settentrionale (NH) e l’emisfero meridionale (SH) influenzano la formazione delle onde planetarie e il comportamento della stratosfera in ciascun emisfero durante l’inverno. L’emisfero settentrionale ha un contrasto terra-mare più pronunciato e catene montuose più estese rispetto all’emisfero meridionale, il che porta alla formazione di onde planetarie troposferiche di ampiezza maggiore. Di conseguenza, la stratosfera invernale dell’emisfero settentrionale tende ad essere più disturbata dalle onde planetarie rispetto alla stratosfera invernale dell’emisfero meridionale. Le onde di grande ampiezza possono rapidamente interrompere il vortice polare settentrionale, anche in pieno inverno, sostituendo i venti occidentali con venti orientali ad alte latitudini e causando un riscaldamento drammatico della stratosfera polare. Tali eventi sono chiamati “riscaldamenti stratosferici maggiori”. La transizione dai venti occidentali ai venti orientali in primavera di solito avviene in congiunzione con un evento di onda planetaria ed è chiamata “riscaldamento finale”. Nell’emisfero settentrionale, il momento del riscaldamento finale varia notevolmente e tende a verificarsi durante marzo o aprile. Nell’emisfero meridionale, il riscaldamento finale avviene tra novembre e dicembre, con una minore variabilità interannuale. Quanto descritto sopra, illustra come le differenze geografiche tra gli emisferi influenzino la formazione delle onde planetarie e il comportamento della stratosfera invernale, portando a diverse tempistiche e caratteristiche dei riscaldamenti stratosferici maggiori e finali.
L’emisfero settentrionale (NH) è caratterizzato da ampiezze delle onde planetarie che, durante alcuni anni, sono abbastanza grandi da permettere la formazione di riscaldamenti stratosferici improvvisi a metà inverno, mentre in altri anni ciò non avviene. Di conseguenza, la stratosfera settentrionale è sensibile agli effetti delle onde planetarie che si propagano verticalmente, risultando in una notevole variabilità interannuale nella forza del vortice polare. Questa sensibilità alla propagazione verticale ed equatoriale delle onde planetarie sembra consentire all’Oscillazione Quasi-Biennale (QBO) equatoriale di influenzare la stratosfera polare, modulando il flusso di attività delle onde o il flusso di Eliassen-Palm, come evidenziato da Dunkerton e Baldwin (1991). In sintesi, le caratteristiche delle onde planetarie nell’emisfero settentrionale rendono la stratosfera sensibile agli effetti delle onde che si propagano verticalmente. Questa sensibilità permette alla QBO equatoriale di influenzare la stratosfera polare, modulando il flusso delle onde planetarie.
l ‘identificazione definitiva di un segnale QBO extratropicale è stata difficile a causa della brevità e del limitato intervallo di altezza dei set di dati disponibili. Nell’emisfero settentrionale (NH), i dati fino a 10 hPa sembrano affidabili a partire dagli anni ’50. Al di sopra del livello di 10 hPa e nella stratosfera inferiore dell’emisfero meridionale (SH), la mancanza di copertura delle radiosonde ha limitato la produzione di dati grigliati affidabili al periodo a partire dalla fine degli anni ’70, quando iniziarono le misurazioni delle temperature satellitari. La maggior parte della letteratura sull’influenza extratropicale della QBO si è concentrata sull’emisfero settentrionale, poiché il registro dei dati è più lungo e affidabile. Una parte della difficoltà nell’identificare un segnale QBO nell’emisfero settentrionale è che la QBO spiega solo una frazione della varianza. Oltre alla variabilità della forzante troposferica, altri segnali, come il ciclo solare di 11 anni, le eruzioni vulcaniche e le anomalie della temperatura della superficie del mare, sembrano influenzare la variabilità della stratosfera extratropicale. In sintesi, identificare un segnale QBO extratropicale è stato difficile a causa della limitata disponibilità di dati e dell’interferenza di altri fattori che influenzano la variabilità della stratosfera extratropicale.
Holton e Tan (1980, 1982) hanno presentato prove convincenti che il QBO (Quasi-Biennial Oscillation, ovvero Oscillazione Quasi-Biennale) influenza la stratosfera extratropicale nell’emisfero settentrionale. Hanno utilizzato dati su griglia per 16 inverni nell’emisfero settentrionale (1962-1977) per creare composizioni di fase est e ovest dei geopotenziali a 50 hPa. Hanno dimostrato che l’altezza geopotenziale ad alte latitudini è significativamente più bassa durante la fase di ovest del QBO. Hanno anche scoperto una modulazione statisticamente significativa del vento zonale di primavera nell’emisfero meridionale. Nell’emisfero settentrionale, Labitzke (1987) e Labitzke e van Loon (1988) hanno trovato una forte relazione con il ciclo solare di 11 anni durante gennaio e febbraio, il che suggerisce che l’influenza solare modifica il segnale durante la fine dell’inverno. Naito e Hirota (1997) hanno confermato questi risultati e hanno anche mostrato che un segnale QBO robusto è presente durante novembre e dicembre. Questi studi dimostrano sostanzialmente che l’Oscillazione Quasi-Biennale (QBO) ha un impatto sulla stratosfera extratropicale dell’emisfero settentrionale, e che tale impatto è modulato anche dal ciclo solare di 11 anni. Il QBO può influenzare l’altezza geopotenziale ad alte latitudini e il vento zonale nelle stagioni invernali e primaverili.
Mechanism for Extratropical Influence
Come discusso precedentemente nella sezione 3.1, in un flusso puramente zonalmente simmetrico c’è una risposta non locale a una forzatura del momento angolare localizzata. Un possibile meccanismo per un effetto extratropicale del QBO è quindi attraverso una tale risposta. Tuttavia, la risposta alla forzatura vicino all’equatore è fortemente confinata alle latitudini tropicali e subtropicali [Plumb, 1982], e questo meccanismo quindi non può spiegare la modulazione osservata del QBO sul vortice polare dell’emisfero settentrionale.
In altre parole, anche se esiste una risposta non locale a una forzatura del momento angolare localizzata in un flusso zonalmente simmetrico, questo meccanismo non è in grado di spiegare l’effetto osservato del QBO sulla stratosfera extratropicale dell’emisfero settentrionale, in particolare sul vortice polare. La risposta alla forzatura vicino all’equatore è principalmente limitata alle latitudini tropicali e subtropicali e non riesce a spiegare il fenomeno osservato in latitudini più alte.
Il meccanismo attualmente favorito coinvolge onde planetarie zonalmente asimmetriche. Di solito, la direzione dominante della propagazione dell’attività delle onde per le onde planetarie troposferiche è verso l’alto e verso l’equatore, e la propagazione verticale è limitata alle onde con le scale spaziali più grandi (principalmente onde 1 e 2) [Charney e Drazin, 1961]. Nella stratosfera ad alta latitudine, queste onde distorcono il vortice dalla simmetria zonale, e se le ampiezze sono abbastanza grandi, il vortice può essere spostato dal polo o interrotto in modo che i venti orientali sostituiscano i venti occidentali vicino al polo. Contemporaneamente all’ampia ampiezza dell’onda si verifica il “rompersi” delle onde planetarie [McIntyre e Palmer, 1983, 1984], portando all’erosione del vortice e a venti occidentali più deboli.
In sintesi, il meccanismo che spiega l’effetto del QBO sulla stratosfera extratropicale dell’emisfero settentrionale e sul vortice polare implica la presenza di onde planetarie zonalmente asimmetriche. Queste onde possono distorcere il vortice dalla simmetria zonale e, se le ampiezze sono abbastanza grandi, possono spostare o interrompere il vortice. Questo processo porta all’erosione del vortice e a venti occidentali più deboli nella regione polare.
La propagazione verticale e meridionale delle onde planetarie dipende dalla struttura in altezza e latitudine del vento medio zonale, che può essere considerato come responsabile della rifrazione delle onde mentre si propagano fuori dalla troposfera. Le onde quasi-stazionarie non possono propagarsi nei venti orientali, e la fase del QBO nei tropici e nelle subtropici altera la guida d’onda effettiva e la posizione del confine tra i venti zonali medi orientali e occidentali: la linea critica per le onde con velocità di fase zero.
In altre parole, la propagazione delle onde planetarie è influenzata dalla fase del QBO, che modifica la struttura dei venti zonali medi e, di conseguenza, le condizioni in cui le onde si propagano. Quando il QBO è nella sua fase orientale, le onde quasi-stazionarie non possono propagarsi facilmente, mentre quando è nella sua fase occidentale, queste onde possono propagarsi più liberamente. Questo processo di modulazione del QBO influisce sulla guida d’onda e sulla posizione del confine tra venti orientali e occidentali, che a sua volta ha un impatto sulle dinamiche atmosferiche nelle regioni extratropicali e polari.
Se il flusso medio nella stratosfera tropicale è in direzione ovest, le onde planetarie riescono a penetrare nei tropici e persino oltre l’equatore senza incontrare una linea critica. Al contrario, quando il flusso medio nella stratosfera tropicale è in direzione est, le onde planetarie incontrano una linea critica sul lato invernale dell’equatore.
Pertanto, quando ci sono venti orientali nei tropici, la guida d’onda effettiva per la propagazione delle onde planetarie è più stretta e, di conseguenza, l’attività delle onde alle latitudini medie e alte nell’emisfero invernale tende ad essere più forte. Onde planetarie più forti ad alte latitudini portano a una maggiore resistenza indotta dalle onde sul flusso medio, venti occidentali ridotti e, quindi, una stratosfera polare più calda.
In sintesi, la direzione del flusso medio nella stratosfera tropicale influisce sulla propagazione delle onde planetarie. Quando il flusso medio è orientale, la guida d’onda per la propagazione delle onde planetarie si restringe, portando a un’attività ondosa più intensa alle latitudini medie e alte nell’emisfero invernale. Ciò provoca un aumento della resistenza indotta dalle onde sul flusso medio, una riduzione dei venti occidentali e un riscaldamento della stratosfera polare.
Observations of Extratropical Influence
Il passo seguente discute l’effetto dell’Oscillazione Quasi-Biennale (QBO) sulla forza del vortice stratosferico invernale nell’emisfero nord. La QBO è un fenomeno atmosferico che coinvolge l’alternanza dei venti est-ovest nell’equatore stratosferico. Questo fenomeno può influenzare la circolazione atmosferica nelle regioni extra-tropicali, come il vortice stratosferico invernale dell’emisfero nord.
Per analizzare l’effetto della QBO sulla forza del vortice, gli autori confrontano le composizioni medie zonali dei venti extra-tropicali durante le fasi di QBO orientale (venti da est) e occidentale (venti da ovest). Per fare questo, è importante definire con precisione la fase della QBO.
Nel documento citato, Holton e Tan (1980) hanno definito la fase della QBO utilizzando i venti equatoriali zonali medi al livello di 50 hPa (ettropascal), ma altri autori hanno usato livelli diversi come 45, 40 e 30 hPa. La motivazione per scegliere un particolare livello di vento è quella di ottimizzare il segnale extra-tropicale, cioè massimizzare la relazione tra la QBO e le caratteristiche atmosferiche nelle regioni extra-tropicali.
In sintesi, il testo discute l’analisi dell’effetto della QBO sulla forza del vortice stratosferico invernale nell’emisfero nord, confrontando i venti extra-tropicali durante le diverse fasi della QBO. Per fare ciò, è importante definire accuratamente la fase della QBO utilizzando i venti equatoriali zonali medi a un livello specifico, scelto per massimizzare la relazione tra la QBO e le caratteristiche atmosferiche nelle regioni extra-tropicali.
Ma come è stata definita la fase della QBO?
la fase della QBO sia stata definita utilizzando le prime due funzioni ortogonali empiriche (EOF) delle variazioni verticali dei venti equatoriali, come proposto da Wallace et al. (1993) e Baldwin e Dunkerton (1998a). Le EOF sono uno strumento statistico utilizzato per identificare i modelli di variazione spaziale e temporale più importanti in un insieme di dati atmosferici. La definizione della fase della QBO è stata adattata per ottimizzare il segnale extratropicale sia nell’emisfero nord (NH) che in quello sud (SH). Di conseguenza, la definizione della fase della QBO ottenuta è molto simile al vento equatoriale a 40 hPa per le composizioni dell’emisfero nord e al vento a 25 hPa per le composizioni dell’emisfero sud. In sostanza, gli autori hanno utilizzato un approccio basato sulle EOF per definire la fase della QBO in modo da massimizzare il segnale extratropicale negli emisferi nord e sud. Questo approccio ha portato a definizioni della fase della QBO simili ai venti equatoriali a 40 hPa per l’emisfero nord e a 25 hPa per l’emisfero sud.
La Figura 14 illustra la differenza nel vento zonale medio tra le composizioni della QBO con venti da ovest e venti da est, utilizzando le analisi del National Centers for Environmental Prediction (NCEP) per il periodo 1978-1996. La differenza è calcolata determinando medie separate dei dati del vento di gennaio per le due fasi della QBO e poi sottraendo queste medie tra loro. I venti zonali sono stati derivati dai campi di geopotenziale utilizzando il metodo del bilanciamento (balance method) [Robinson, 1986; Hitchman et al., 1987; Randel, 1987].
Sebbene questo metodo funzioni bene nelle regioni extra-tropicali, non è possibile ricavare venti accurati nei tropici, dove i venti sono stati interpolati tra 10°N e 10°S, rendendo la QBO troppo debole. Il segnale settentrionale è dominato da una modulazione del vortice polare che si estende dalla superficie al livello di 1 hPa. Le differenze presentano segno opposto a sud di circa 40°N e si fondono nel ramo superiore della QBO tropicale.
In sintesi, la Figura 14 mostra la differenza tra i venti zonali medi durante le fasi di QBO con venti da ovest e da est, evidenziando come il segnale settentrionale sia dominato dalla modulazione del vortice polare, mentre nelle regioni tropicali la QBO risulta più debole a causa delle limitazioni del metodo utilizzato per derivare i venti zonali.
La Figura 14 mostra che le caratteristiche osservate non sono limitate ai livelli stratosferici medi dove la QBO equatoriale è definita. Al contrario, le caratteristiche più evidenti si trovano al di sopra di 10 hPa. L’analisi di correlazione del vento zonale medio nel piano latitudine-altitudine [Baldwin e Dunkerton, 1991] suggerisce che le caratteristiche ai livelli superiori, incluso quelle nell’emisfero sud (SH) vicino a 30°S, sono il risultato della modulazione da parte della QBO della circolazione meridionale media nel ramo che attraversa l’equatore (dall’estate all’inverno).
È ragionevole supporre che questa circolazione sia debolmente modulata dall’oscillazione di Holton-Tan. Ad esempio, durante la fase di QBO con venti da ovest, le temperature polari sono relativamente basse, il che implica un flusso più debole attraverso l’equatore e un’anomalia debole di venti da ovest vicino a 30°S (Figura 14). La caratteristica vicino a 30°S può essere interpretata non solo come un effetto diretto della QBO, ma anche come un effetto remoto dell’onda di Holton-Tan trasmesso dalla circolazione meridionale media, come descritto dall’equazione (6). Questo comportamento è osservato anche nei modelli numerici (vedi sezione 4.3 e Figura 17).
In sintesi, le caratteristiche osservate nella Figura 14 non sono limitate ai livelli stratosferici medi, ma si estendono a livelli più alti. Queste caratteristiche sono il risultato della modulazione della QBO sulla circolazione meridionale media che attraversa l’equatore, e possono essere interpretate come un effetto remoto dell’onda di Holton-Tan trasmesso dalla circolazione meridionale media.
La Figura 14 mostra la differenza del vento zonale medio in latitudine-altitudine per il mese di gennaio tra la media di tutti gli anni con QBO da ovest e quella con QBO da est, nel periodo 1964-1996. La fase della QBO è ottimizzata per l’emisfero nord (NH) ed è definita utilizzando la tecnica delle funzioni ortogonali empiriche (EOF) di Baldwin e Dunkerton [1998b]; è quasi equivalente all’utilizzo dei venti equatoriali a 40 hPa. L’intervallo di contorno è di 2 ms^-1, e i valori negativi sono ombreggiati. La figura è tratta da Baldwin e Dunkerton [1998b]. La figura illustra la differenza nella circolazione zonale tra le fasi di QBO con venti da ovest e venti da est. La fase della QBO è definita utilizzando la tecnica delle EOF, che si rivela simile all’utilizzo dei venti equatoriali a 40 hPa. L’immagine mostra come la differenza nella circolazione zonale sia più evidente nei livelli stratosferici superiori, con valori negativi ombreggiati, indicando che le differenze tra le fasi della QBO influenzano in modo significativo la circolazione atmosferica nell’emisfero nord.
L’importanza statistica del segnale invernale della QBO nell’emisfero nord (NH) è stata affrontata da diversi autori e trattata in dettaglio da Baldwin e O’Sullivan (1995). I dettagli di tale analisi (definizione della QBO, selezione dei mesi invernali, livello dei dati) sono fondamentali per i risultati dei test statistici. Ad esempio, l’effetto della QBO è osservato come ampio a dicembre e gennaio, ma più debole a febbraio.
Utilizzando i dati NCEP del 1964-1993 per i mesi di dicembre-gennaio-febbraio fino al livello di 10 hPa, hanno dimostrato che l’effetto della QBO (definito dal vento di Singapore a 40 hPa) è statisticamente significativo al livello 0.001 utilizzando il geopotenziale a 10 hPa, come misurato dal test di significatività del campo di Barnston e Livezey (1987). Nelle composizioni del vento zonale medio, la significatività statistica dell’effetto della QBO aumenta con l’altitudine, almeno fino a 10 hPa, con una significatività molto più alta a 10 hPa rispetto a 30 hPa.
In sintesi, l’importanza statistica dell’effetto della QBO sull’inverno nell’emisfero nord è stata studiata in dettaglio e si è riscontrato che l’effetto è più ampio a dicembre e gennaio, mentre è più debole a febbraio. L’analisi ha dimostrato che l’effetto della QBO è statisticamente significativo e aumenta con l’altitudine, almeno fino a 10 hPa.
Il pattern di dipolo nell’emisfero nord (NH) illustrato nella Figura 14 non è unico all’influenza della QBO; rappresenta la modalità principale di variabilità della stratosfera invernale settentrionale [Nigam, 1990; Dunkerton e Baldwin, 1992]. Durante l’inverno, la QBO sembra eccitare la “modalità annulare settentrionale” (NAM) (nota anche come Oscillazione Artica) [Thompson e Wallace, 1998, 2000]. Le composizioni della QBO nell’emisfero nord (di geopotenziale, vento, temperatura, ecc.) tendono a riflettere il grado in cui la QBO eccita la NAM.
Una fase della NAM è rappresentata da un vortice freddo e forte, mentre la fase opposta è rappresentata da un vortice più debole e temperature polari più elevate. Il dipolo nella Figura 14 è molto più prominente nella stratosfera e più debole nella troposfera. La connessione con la stratosfera è limitata alla stagione invernale, ma la NAM troposferica è osservata in tutte le stagioni. Gli aspetti troposferici della NAM e i pattern troposferici associati alla QBO saranno discussi nella sezione 6.2.
In sintesi, il pattern di dipolo nell’emisfero nord mostrato nella Figura 14 non è esclusivo dell’influenza della QBO, ma rappresenta la principale modalità di variabilità della stratosfera invernale settentrionale. Durante l’inverno, la QBO sembra eccitare la modalità annulare settentrionale (NAM). La Figura 14 evidenzia che il dipolo è più prominente nella stratosfera e più debole nella troposfera. La connessione con la stratosfera è limitata alla stagione invernale, mentre la NAM troposferica è presente in tutte le stagioni.
La Figura 15 illustra lo sviluppo stagionale del vento zonale dell’emisfero boreale (NH) a 5 hPa attraverso una differenza composita. Il segnale extratropicale inizia durante l’autunno nelle medie latitudini e raggiunge un massimo ad alta latitudine nel mese di gennaio. La differenza composita di fine inverno (febbraio e marzo) è di segno opposto, ma piccola, a nord del 40° parallelo. La diminuzione improvvisa del segnale indica che l’Oscillazione Quasi-Biennale (QBO) modula la forza del vortice polare invernale dell’emisfero boreale fino a metà inverno, ma ha poco effetto sulla tempistica del riscaldamento finale.
Questa descrizione suggerisce che il QBO influisce sulla forza del vortice polare invernale nell’emisfero boreale durante l’inverno, con un impatto massimo a gennaio, ma non ha un effetto significativo sul momento in cui si verifica il riscaldamento finale. Il segnale si indebolisce rapidamente dopo metà inverno, indicando che l’influenza del QBO diminuisce nel tardo inverno.
I riscaldamenti stratosferici maggiori sono definiti come un’inversione del vento medio zonale a 10 hPa, 60°N in direzione est, e temperature più alte al polo rispetto alla media zonale a 10 hPa, 60°N. L’effetto Holton-Tan implica che i riscaldamenti maggiori dovrebbero essere più comuni quando il QBO è in fase est. Sfortunatamente, una misura così semplice non è robusta perché le definizioni di entrambe le fasi del QBO (est/ovest) e del riscaldamento (sì/no) sono arbitrarie.
Utilizzando i dati ri-analizzati NCEP dal 1958 al 1999 e una definizione della fase QBO a 40 hPa, si sono verificati sei riscaldamenti in fase ovest e 10 riscaldamenti in fase est. Tuttavia, se si utilizzano i dati “Berlin” analizzati manualmente con una definizione del QBO a 45 hPa e i riscaldamenti maggiori vengono definiti sinotticamente, si contano 10 riscaldamenti in fase ovest e 11 riscaldamenti in fase est (K. Labitzke, comunicazione personale, 2000). La discrepanza tra questi risultati dimostra che questa procedura è troppo sensibile alle definizioni della fase QBO e dei riscaldamenti. Le differenze composte, come nelle Figure 14 e 15, sono più robuste, possono essere utilizzate in entrambi gli emisferi e forniscono una misura quantitativa dell’effetto Holton-Tan.
Il vortice polare dell’emisfero australe (SH) è molto più forte, longevo e più quiescente rispetto al suo omologo nell’emisfero boreale (NH). Durante l’inverno, le onde planetarie generalmente non disturbano il vortice meridionale nella stratosfera inferiore e media. Non sorprende che le osservazioni indichino che il QBO non modula significativamente la forza del vortice antartico in inverno. Come mostrato nella Figura 16, a 5 hPa il QBO modula la forza dei venti nelle medie latitudini durante la tarda autunno, come nel NH. Tuttavia, a differenza del NH, durante l’inverno e l’inizio della primavera la modulazione è evidente solo nelle medie latitudini.
La stagionalità osservata della modulazione QBO della circolazione extratropicale in entrambi gli emisferi è coerente con l’ipotesi che le onde planetarie svolgano un ruolo fondamentale nel meccanismo di modulazione. La differenza più evidente tra le Figure 15 e 16 è che, nell’emisfero australe, la più grande influenza del QBO si verifica durante la tarda primavera (novembre), al momento del riscaldamento finale. Nell’emisfero australe, il vortice di ottobre ha la stessa intensità del vortice NH in gennaio. Poiché le ampiezze delle onde planetarie sono molto più piccole nell’emisfero australe, l’effetto del QBO si vede solo alla periferia del vortice fino a quando il vortice è relativamente piccolo.
La Figura 15 mostra la differenza del vento medio zonale a 5 hPa per latitudine e mese nell’emisfero boreale (NH) tra la media di tutti gli anni con QBO in fase ovest e quelli con QBO in fase est, nel periodo 1964-1996. La fase del QBO è definita come nella Figura 14 e i dati sono medie mensili. L’intervallo dei contorni è di 2 m/s, e i valori negativi sono ombreggiati. La figura è tratta da Baldwin e Dunkerton [1998b]. Questa figura illustra la differenza nella forza dei venti zonali a 5 hPa nell’emisfero boreale tra gli anni con QBO in fase ovest e quelli in fase est. Le aree ombreggiate indicano una diminuzione della forza dei venti zonali quando il QBO è in fase est, rispetto a quando è in fase ovest. Questo suggerisce che il QBO influisce sulla circolazione stratosferica e sulla forza del vortice polare invernale nell’emisfero boreale.
Model Simulations of Extratropical Influence
È difficile formulare un modello quantitativo semplice per il meccanismo del QBO extratropicale (analogamente, ad esempio, al modello Holton-Lindzen [Holton e Lindzen, 1972] per l’interazione del flusso medio equatoriale con onde che si propagano verticalmente). Le principali complicazioni sono (1) le onde planetarie si propagano sia verticalmente che meridionalmente e (2) gli effetti delle linee critiche sulla propagazione delle onde planetarie non sono facili da prevedere teoricamente. In assenza di una teoria semplice, gli effetti del QBO sulle onde extratropicali e sulla circolazione media sono stati ampiamente studiati in esperimenti di simulazione numerica dettagliata con modelli di varia complessità.
Questo significa che è difficile sviluppare un modello semplice per comprendere come il QBO influisce sulla circolazione e le onde extratropicali. Poiché non esiste una teoria semplice e universale, gli scienziati si affidano a modelli numerici complessi per studiare gli effetti del QBO sulla circolazione e le onde extratropicali e per comprendere meglio come questi processi interagiscono.
L’effetto del QBO sui riscaldamenti improvvisi è stato studiato in esperimenti numerici da Dameris ed Ebel [1990] e Holton e Austin [1991]. Entrambi gli studi hanno utilizzato integrazioni abbastanza brevi di modelli meccanicistici 3D forzati da perturbazioni ideali di medie latitudini in rapida crescita su un limite inferiore di tropopausa. Hanno scoperto che lo sviluppo del flusso stratosferico ad alta latitudine può essere fortemente influenzato dai venti tropicali nella stratosfera inferiore, sebbene questo effetto dipenda dalla forza del forcing ondoso imposto.
Holton e Austin hanno scoperto che, nel caso di un forcing ondoso debole, il flusso ad alta latitudine era in gran parte non influenzato dai venti tropicali, ma che questa sensibilità aumentava man mano che aumentava la forza del forcing ondoso. Entro un certo intervallo di ampiezza del forcing, il modello sviluppava un riscaldamento improvviso quando i venti iniziali nella stratosfera tropicale erano orientati verso est, ma non quando erano orientati verso ovest. Aumentando ulteriormente il forcing ondoso, i riscaldamenti improvvisi si verificavano indipendentemente dallo stato dei venti tropicali e la sensibilità del flusso extratropicale ai venti tropicali diminuiva.
Questi risultati suggeriscono che l’effetto del QBO sui riscaldamenti stratosferici improvvisi dipende dalla forza delle onde imposte e che il flusso stratosferico ad alta latitudine è influenzato dai venti tropicali nella stratosfera inferiore. Tuttavia, tale sensibilità può variare a seconda della forza del forcing ondoso.
I modelli semplificati consentono di variare in modo controllato i parametri rilevanti, come l’intensità delle forzanti d’onda dalla troposfera. Gli studi di O’Sullivan e Salby (1990) e Chen (1996) utilizzavano modelli ad alta risoluzione orizzontale ma limitati a un singolo strato verticale. Questi modelli utilizzavano una semplice linearizzazione dello stato zonale medio per simulare gli effetti del trasferimento radiativo nel limitare il flusso medio e includevano una forzante d’onda-1 imposta al limite inferiore nelle regioni extratropicali invernali.
I risultati hanno dimostrato che i modelli simulavano gli effetti alle alte latitudini della QBO tropicale nello stesso senso delle osservazioni. O’Sullivan e Young (1992) e O’Sullivan e Dunkerton (1994) hanno utilizzato un modello meccanicistico globale 3-D con una perturbazione d’onda-1 specificata al limite inferiore di 10 km. Gli effetti radiativi erano parametrizzati attraverso una linearizzazione della temperatura verso uno stato radiativo imposto.
In sintesi, il passaggio descrive come alcuni studi abbiano utilizzato modelli semplificati per esaminare l’interazione tra troposfera e stratosfera e per simulare gli effetti della QBO tropicale sulle alte latitudini. Questi modelli consentono di controllare vari parametri e di analizzare gli effetti radiativi attraverso linearizzazioni e parametrizzazioni.
Nelle simulazioni vennero inclusi anche cicli stagionali. Gli esperimenti sono stati ripetuti con una serie di ampiezze delle forzanti d’onda extratropicali e con condizioni iniziali nei tropici rappresentative delle fasi di QBO orientale (easterly) e occidentale (westerly).
Nelle simulazioni, si è scoperto che il flusso nella regione polare dell’emisfero nord (NH) rimaneva quasi inalterato dall’influenza del vento tropicale fino a novembre. Tuttavia, in dicembre, gennaio e febbraio, l’effetto diventava significativo, con il vortice polare stratosferico medio temporale più forte quando i venti tropicali erano occidentali. Il contrasto nella forza media invernale del vortice polare stratosferico tra le fasi di QBO orientale e occidentale dipendeva in modo sorprendente dall’ampiezza della forzante d’onda adottata.
I risultati della modellazione di O’Sullivan e Dunkerton (1994) erano in linea generale simili alle osservazioni mostrate nelle Figure 15 e 16. In altre parole, i modelli semplificati utilizzati nei loro esperimenti sono stati in grado di riprodurre in modo coerente gli effetti osservati nella realtà, mostrando come le variazioni nelle forzanti d’onda extratropicali e nelle fasi di QBO influenzino il vortice polare stratosferico durante i mesi invernali.
La Figura 16 mostra la differenza della velocità del vento zonale media a 5 hPa di latitudine-mese nell’emisfero meridionale (SH) tra la media di tutti gli anni con QBO occidentale (westerly) e quelli con QBO orientale (easterly). Il calcolo è simile a quello nella Figura 15, con l’eccezione che la fase del QBO è ottimizzata per l’emisfero meridionale, il che equivale quasi all’utilizzo di venti equatoriali a 25 hPa. La figura è tratta da Baldwin e Dunkerton (1998b). Questa figura aiuta a visualizzare l’impatto delle diverse fasi del QBO sulla circolazione atmosferica nell’emisfero meridionale. Mostra le differenze nella velocità del vento zonale media su diverse latitudini e mesi tra gli anni con QBO occidentale e orientale. L’analisi di questi dati può fornire informazioni utili sulla dinamica della stratosfera nell’emisfero meridionale e sulla correlazione tra il QBO e i venti stratosferici in questa regione.
In un modello di circolazione generale (GCM), la forzante troposferica sulla stratosfera e le sue variazioni interannuali sono generate in modo autoconsistente all’interno del modello. Hamilton (1998b) ha utilizzato un GCM per un periodo continuo di 48 anni con una forzante del momento angolare tropicale variabile nel tempo che produceva una QBO di 27 mesi nel vento zonale equatoriale con zone di cisallemento di ampiezza e velocità di discesa realistici.
La Figura 17 mostra la media zonale del vento composito di gennaio per 20 anni con venti equatoriali occidentali a 40 hPa meno quella per 20 anni con venti equatoriali orientali a 40 hPa. I risultati mostrano la tendenza a un vortice polare più debole nella fase di QBO orientale. Al di fuori dei tropici, le caratteristiche generali della differenza composita nella Figura 17 si confrontano bene con il composito osservato di gennaio mostrato nella Figura 14.
La Figura 18 mostra la temperatura composita del Polo Nord a 28 hPa in fase orientale e occidentale per ciascun mese, da ottobre ad aprile, nell’integrazione del modello. Gli effetti sistematici della QBO tropicale sulla temperatura stratosferica polare dell’emisfero nord nel modello sembrano essere in gran parte limitati al periodo tra dicembre e marzo.
In sintesi, usando un GCM, lo studio di Hamilton (1998b) mostra come la forzante troposferica sulla stratosfera e le sue variazioni interannuali vengano generate in modo autoconsistente all’interno del modello. Le simulazioni mostrano che la QBO tropicale ha un impatto sulla temperatura stratosferica polare dell’emisfero nord, principalmente nei mesi invernali da dicembre a marzo.
La Figura 17 mostra la differenza composita tra le fasi occidentali e orientali della media zonale del vento zonale in gennaio, proveniente dall’integrazione di 48 anni del modello di circolazione generale (GCM) descritto da Hamilton (1998b). Il composito si basa sui 20 gennaio con venti equatoriali più occidentali a 40 hPa e sui 20 gennaio con venti equatoriali più orientali a 40 hPa. I risultati sono mostrati fino a 1 hPa, ma il dominio del modello si estende effettivamente fino a 0,01 hPa. La Figura 17 illustra la differenza tra le due fasi della QBO e mostra come influenzano il vento zonale medio in gennaio. Essa mette in evidenza la tendenza a un vortice polare più debole nella fase di QBO orientale e come queste differenze si confrontino bene con le osservazioni reali. In altre parole, la Figura 17 visualizza la differenza tra le fasi di vento equatoriali occidentali e orientali a 40 hPa, e mostra come queste differenze influenzino i venti zonali medi a gennaio nel modello di circolazione generale di Hamilton (1998b).
Le differenze a metà inverno nella Figura 18 sono di circa 48-58°C, che sono comparabili a quelle osservate nel composito delle fasi orientali meno occidentali di Dunkerton e Baldwin (1991).
Niwano e Takahashi (1998) hanno esaminato la variabilità extratropicale stratosferica in una versione del modello del Centro Giapponese per la Ricerca sul Sistema Climatico, che produce spontaneamente un’oscillazione simile alla QBO nei tropici con un periodo di circa 1,4 anni. Hanno analizzato un’integrazione di 14 anni e calcolato i compositi da gennaio a marzo basati sulle cinque fasi di QBO più orientali e sulle cinque fasi più occidentali, valutate sulla base del vento zonale equatoriale medio tra 7 e 50 hPa. I risultati mostrano che, in media, il vortice polare dell’emisfero nord era più debole nella fase di QBO orientale, di circa 15 m/s, vicino a 70°N a 1 hPa. In sintesi, diversi studi e modelli hanno mostrato che il vortice polare dell’emisfero nord tende ad essere più debole durante la fase orientale della QBO. Questi risultati sono in linea con le osservazioni reali e forniscono ulteriore supporto all’influenza della QBO tropicale sulla variabilità stratosferica extratropicale.
In sintesi, una vasta gamma di modelli è stata utilizzata per studiare l’influenza della QBO sulla stratosfera extratropicale. Finora, la maggior parte degli studi si è concentrata sull’emisfero nord dalla fine dell’autunno all’inizio della primavera, poiché è il periodo in cui le osservazioni indicano la più forte influenza. Gli studi sui modelli pubblicati sono unanimi nel mostrare almeno una certa tendenza affinché la forza del vortice polare attraverso la stratosfera sia positivamente correlata al vento zonale equatoriale intorno a 40 hPa. Questi risultati dei modelli conferiscono quindi credibilità alla realtà dell’effetto Holton-Tan.
Tutti gli studi sui modelli sono idealizzati in un grado o nell’altro, ma quello più completo (e quindi meritevole di un confronto dettagliato con le osservazioni) è quello di Hamilton (1998b). I risultati di questo studio sono generalmente in accordo ragionevole con le osservazioni disponibili, suggerendo che anche i GCM con una QBO imposta artificialmente, ma non simulata esplicitamente, possono avere una rappresentazione realistica delle interazioni modulate dall’onda tra la stratosfera a bassa e alta latitudine.
In sostanza, i modelli concordano nel dimostrare l’influenza della QBO sulla stratosfera extratropicale e rafforzano la realtà dell’effetto Holton-Tan. Lo studio di Hamilton (1998b) è particolarmente completo e i suoi risultati concordano in modo ragionevole con le osservazioni reali, il che suggerisce che i GCM possano rappresentare in modo realistico le interazioni tra la stratosfera alle basse e alte latitudini.
La Figura 18 mostra le temperature medie del Polo Nord a 28 hPa per ciascun mese da ottobre ad aprile nel periodo di 48 anni dell’esperimento di modellazione del clima globale (GCM) di Hamilton (1998b), composte in base alla fase del QBO. I risultati sono mostrati come media dei 20 anni con venti equatoriali più orientali (curva tratteggiata) a 40 hPa (per il periodo dicembre-febbraio) e dei 20 anni con venti equatoriali più occidentali a 40 hPa (curva continua). Questa figura mette in evidenza l’impatto delle diverse fasi del QBO sulle temperature stratosferiche del Polo Nord. Mostra le differenze di temperatura tra gli anni con QBO orientale e occidentale per ogni mese dal periodo ottobre-aprile. L’analisi di questi dati può fornire informazioni utili sulla dinamica della stratosfera al Polo Nord e sulla correlazione tra il QBO e le temperature stratosferiche in questa regione. Inoltre, questi risultati possono essere utili per comprendere l’influenza del QBO sul clima e sulla circolazione atmosferica nelle regioni polari.
Interaction of the QBO With Other Low-Frequency Signals( interazioni tra la Quasi-Biennial Oscillation (QBO) e altri segnali a bassa frequenza presenti nell’atmosfera)
“Interaction of the QBO With Other Low-Frequency Signals” si riferisce allo studio delle interazioni tra la Quasi-Biennial Oscillation (QBO) e altri segnali a bassa frequenza presenti nell’atmosfera. La QBO è un’oscillazione atmosferica che coinvolge i venti equatoriali nella stratosfera e ha un periodo medio di circa 28 mesi. Altre oscillazioni a bassa frequenza, come l’Oscillazione del Pacifico Decadale (PDO), l’Oscillazione del Nord Atlantico (NAO) e l’Oscillazione Meridionale di El Niño (ENSO), influenzano anch’esse il clima e la circolazione atmosferica su scale temporali pluriennali o decennali.
Studiare l’interazione tra la QBO e altri segnali a bassa frequenza è importante per comprendere i meccanismi che determinano la variabilità climatica e atmosferica a lungo termine e per migliorare le previsioni meteorologiche e climatiche. Questo tipo di ricerca può aiutare a identificare le possibili sinergie o interferenze tra diversi fenomeni atmosferici e a capire come tali interazioni possano influenzare il clima globale e regionale.
Il segnale QBO extratropicale può essere identificato statisticamente in un lungo registro di dati, ma rappresenta solo una parte della grande variabilità interannuale della stratosfera invernale nell’emisfero nord. Altri segnali contribuiscono alla variabilità o interagiscono con il segnale QBO per produrre altre frequenze di variabilità nel registro dei dati osservati.
Baldwin e Tung (1994) hanno dimostrato che la QBO modula il segnale del ciclo annuale extratropicale in modo tale che la firma della QBO nell’impulso angolare, invece di avere un singolo picco di frequenza spettrale a circa 28 mesi, includa altri due picchi spettrali alla frequenza annuale più o meno la frequenza QBO. Questi studi hanno dimostrato che lo “spettro QBO a tre picchi” [Tung e Yang, 1994a] può essere previsto dall’effetto Holton-Tan che agisce per modulare il ciclo annuale.
Tung e Yang hanno considerato un’armonica con il periodo della QBO che agisce per modulare un segnale costituito da una media annuale più un senoide con un periodo annuale. Il segnale combinato della QBO nelle regioni extratropicali insieme al ciclo annuale può essere rappresentato matematicamente come:
~A + B sin(V12 t)! * sin(VQBO t) = A sin(VQBO t) + B/2 cos(V12 – VQBO)t – B/2 cos(V12 + VQBO)t
dove V12 e VQBO denotano rispettivamente le frequenze annuali e tropicali della QBO. Con un periodo QBO di 30 mesi (il periodo medio QBO durante 1979-1992, utilizzato da Tung e Yang), gli ultimi due termini dell’equazione sopra rappresentano variazioni con periodi di 20 e 8,6 mesi. I picchi spettrali di 30, 20 e 8,6 mesi sono stati trovati nell’ozono [Tung e Yang, 1994a, 1994b], nell’impulso angolare e nel flusso di Eliassen-Palm [Baldwin e Tung, 1994] e nella vorticità potenziale isentropica [Baldwin e Dunkerton, 1998a].
Lo studio di Salby et al. (1997) e successivamente Baldwin e Dunkerton (1998a) hanno suggerito che la variabilità a bassa frequenza nella media e alta stratosfera include un modo biennale con un periodo esatto di 24 mesi. Un segnale puramente biennale non può essere il risultato di una forzante quasi-biennale. Gli autori ipotizzano che questo modo biennale possa propagarsi nella stratosfera dall’alta troposfera.
Tuttavia, non è chiaro perché un modo biennale, che potrebbe essere presente nella troposfera, verrebbe amplificato fino a diventare importante nella stratosfera polare. Baldwin e Dunkerton non hanno trovato una spiegazione per questo modo biennale e hanno osservato che la significatività statistica del picco spettrale biennale non è elevata. Quindi, il modo biennale potrebbe essere semplicemente un artefatto derivante dall’utilizzo di un breve periodo di dati (32 anni) che presenta casualmente una variabilità biennale. Gli autori hanno inoltre osservato che il meccanismo di Holton-Tan tenderebbe a far cambiare segno alle anomalie polari nella vorticità potenziale (PV) di anno in anno. Questa tendenza, insieme al caso, potrebbe spiegare il modo biennale osservato. Se questa interpretazione è corretta, è probabile che il modo biennale non continuerà. In sintesi, gli studi citati suggeriscono che esiste una variabilità biennale nella media e alta stratosfera, ma la sua origine e importanza non sono ancora chiare. La significatività statistica del picco spettrale biennale non è alta, e potrebbe essere un artefatto dovuto al breve periodo di dati analizzati. Se l’interpretazione degli autori è corretta, il modo biennale potrebbe non continuare nel tempo.
Diversi ricercatori hanno ipotizzato che gli effetti remoti dell’El Niño-Southern Oscillation (ENSO) potrebbero influenzare la stratosfera extratropicale. Questa influenza potrebbe essere confusa con un segnale di Quasi-Biennial Oscillation (QBO) o, almeno, essere difficile da separare da un segnale QBO. Wallace e Chang (1982) non sono riusciti a separare gli effetti dell’ENSO e del QBO sulla stratosfera tropicale in 21 inverni di geopotenziale a 30 hPa nell’emisfero boreale (NH). Anche Van Loon e Labitzke (1987) hanno scoperto che le fasi del QBO e dell’ENSO tendevano a coincidere.
Rimuovendo gli anni di ENSO freddo e caldo (mantenendo solo gli anni con deboli anomalie ENSO), Van Loon e Labitzke hanno ottenuto risultati simili a quelli di Holton e Tan. Studi osservazionali successivi (ad esempio, Hamilton, 1993; Baldwin e O’Sullivan, 1995) e modellistica (Hamilton, 1995) mostrano un quadro coerente in cui l’influenza dell’ENSO sulla struttura media zonale del vortice è in gran parte limitata alla troposfera. Nella stratosfera inferiore, l’ENSO sembra modulare le ampiezze delle onde stazionarie di larga scala.
Questi studi suggeriscono che gli effetti remoti dell’ENSO potrebbero influenzare la stratosfera extratropicale e interagire con il segnale QBO. Tuttavia, l’influenza dell’ENSO sulla struttura media zonale del vortice è prevalentemente limitata alla troposfera, mentre nella stratosfera inferiore, l’ENSO sembra modulare le ampiezze delle onde stazionarie di larga scala.
La variabilità decennale, possibilmente correlata al ciclo solare di 11 anni, è chiaramente presente nei dati che risalgono agli anni ’50. Labitzke (1987) e Labitzke e van Loon (1988) hanno studiato la circolazione dell’emisfero boreale (NH) osservata a fine inverno classificandola in base al livello di attività solare e alla fase del QBO. Hanno riscontrato una forte relazione con il ciclo solare durante la tarda stagione invernale. Naito e Hirota (1997) hanno confermato questa relazione e scoperto che l’inizio dell’inverno è dominato da un robusto segnale QBO.
La Figura 19 riassume i risultati del QBO solare come diagrammi di dispersione delle altezze medie del geopotenziale a 30 hPa durante gennaio e febbraio sopra il Polo Nord rispetto al flusso radio solare a 10,7 cm (un proxy per il ciclo di 11 anni nell’attività solare). Il set di dati può essere raggruppato in quattro categorie in base alla fase QBO e al livello di attività solare. Negli anni con bassa attività solare, il vortice polare invernale tende ad essere disturbato e debole quando il QBO è in fase est, ma più profondo e non disturbato quando il QBO è in fase ovest. Tuttavia, negli anni con intensa attività solare, le fasi occidentali del QBO sono associate a inverni disturbati, mentre le fasi orientali del QBO sono accompagnate da vortici polari profondi e non disturbati.
Pertanto, il QBO agisce come previsto da Holton e Tan (1980) negli anni con bassa attività solare, ma sembra invertire il suo comportamento durante gli anni con elevata attività solare. Solo due casi non si adattano a questo schema: 1989 e 1997.
È attualmente oggetto di dibattito se la variabilità decennale sia causata o meno dal ciclo solare di 11 anni, ma ci sono sempre più prove attraverso la modellazione che il ciclo solare ha un’influenza significativa sui venti e le temperature nella stratosfera superiore. Nel corso del ciclo solare di 11 anni, la “costante” solare (cioè l’energia radiativa che entra nell’atmosfera terrestre sommata su tutto lo spettro) varia di meno dello 0,1% [Willson et al., 1986]. La variabilità nei raggi ultravioletti (UV), responsabili della maggior parte del riscaldamento dell’ozono, è inferiore all’1% [Rottman, 1999].
La variabilità sale all’8% solo a lunghezze d’onda inferiori a 200 nm, ma queste lunghezze d’onda potrebbero influenzare indirettamente la chimica dell’ozono attraverso una maggiore produzione di ossigeno dispari, che a sua volta potrebbe influenzare i tassi di riscaldamento atmosferico medio e la dinamica. In definitiva, sebbene sia ancora oggetto di dibattito, ci sono prove crescenti che il ciclo solare di 11 anni influenzi significativamente i venti e le temperature nella stratosfera superiore. La variabilità della radiazione solare è minima nella maggior parte dello spettro, ma a lunghezze d’onda più brevi, potrebbe avere un impatto indiretto sulla chimica dell’ozono e, di conseguenza, sui tassi di riscaldamento atmosferico e la dinamica.
In seguito a precedenti modellizzazioni del ciclo solare [Haigh, 1994, 1996, 1999] e del ciclo solare-QBO [Rind e Balachandran, 1995; Balachandran e Rind, 1995], Shindell et al. [1999] hanno utilizzato un modello di circolazione generale (GCM) per troposfera-stratosfera-mesosfera con ozono interattivo e valori realistici di forzante UV per mostrare che i cambiamenti nell’ozono amplificano le variazioni dell’irraggiamento per influenzare il clima. I cambiamenti della circolazione introdotti nella stratosfera si propagavano verso il basso, raggiungendo persino la troposfera. Gli studi di modellizzazione hanno riscontrato una circolazione di Hadley più intensa durante le condizioni di massimo solare. Hanno concluso che le variazioni osservate dell’altezza geopotenziale nell’emisfero boreale sono, in parte, guidate dalla variabilità solare.
In sintesi, gli studi di modellizzazione suggeriscono che le variazioni nell’ozono, in risposta alle variazioni dell’irraggiamento solare, possono influenzare il clima. I cambiamenti nella circolazione atmosferica introdotti nella stratosfera si propagano verso il basso, influenzando anche la troposfera. Durante il massimo solare, è stata riscontrata una circolazione di Hadley più intensa, suggerendo che la variabilità solare influisce, almeno in parte, sulle variazioni dell’altezza geopotenziale nell’emisfero boreale.
La Figura 15 mostra che la modulazione del QBO osservata sul vento zonale nella stratosfera media dell’emisfero boreale (NH) è essenzialmente conclusa entro febbraio, e le osservazioni mostrano una variabilità decennale coerente con il ciclo solare durante gennaio e febbraio. Esiste la possibilità che il QBO domini l’inizio dell’inverno, mentre l’influenza solare (o l’interazione tra il QBO e il ciclo solare) si manifesta durante la tarda stagione invernale [Dunkerton e Baldwin, 1992].
A causa della forte assorbimento dell’ozono nell’ultravioletto che si verifica nella stratosfera superiore e nella mesosfera, un’influenza solare sulla struttura termica in queste regioni dell’atmosfera è plausibile. Ciò, a sua volta, potrebbe influenzare la forza della “pompa extratropicale” guidata dalle onde planetarie [Holton et al., 1995]. Un meccanismo che coinvolge la propagazione verso il basso delle anomalie stratosferiche, attraverso la modifica della propagazione delle onde planetarie dal basso, viene discusso nella sezione 6.2.
Salby e Callaghan [2000] hanno dimostrato che i venti occidentali del QBO al di sotto di 30 hPa variano con il ciclo solare, così come i venti orientali al di sopra di 30 hPa. Sono stati riscontrati cambiamenti nella durata dei venti occidentali o orientali che introducono una deriva sistematica nella fase QBO durante l’inverno nell’emisfero boreale.
Sono state proposte varie ipotesi per spiegare la variabilità decennale osservata nella stratosfera senza fare riferimento al ciclo solare. Queste ipotesi si basano sull’interazione del QBO con altri segnali.
Teitelbaum e Bauer (1990) e Salby e Shea (1991) hanno sostenuto che la variabilità decennale invernale di 11 anni è un sottoprodotto della procedura di analisi, che coinvolge la stratificazione dei dati in anni rispetto al QBO. Gray e Dunkerton (1990) hanno dimostrato la possibilità di un ciclo di 11 anni derivante dall’interazione del QBO con il ciclo annuale. Salby et al. (1997) e Baldwin e Dunkerton (1998a) hanno suggerito che una modulazione del QBO tropicale da parte di un segnale extratropicale biennale (che esiste ma non è ancora stato spiegato) potrebbe risultare in un periodo di 11 anni. Queste ipotesi offrono una spiegazione della variabilità decennale senza fare riferimento al ciclo solare, sebbene la relazione osservata in fase con il ciclo solare rimanga inspiegata.
La variabilità biennale e decennale osservata, e l’incertezza della sua origine, non oscurano l’influenza diretta del QBO sulla stratosfera extratropicale. Il dibattito si concentra sui segnali solari e biennali e sulla possibilità che la variabilità decennale osservata possa manifestarsi in assenza dell’influenza solare.
La Figura 19 mostra diagrammi di dispersione delle altezze medie del geopotenziale a 30 hPa al Polo Nord nei mesi di gennaio e febbraio tra il 1958 e il 1998 per gli anni con (a) QBO tropicale orientale (easterly) e (b) QBO tropicale occidentale (westerly), seguendo il lavoro di van Loon e Labitzke (1994) e aggiornamenti successivi. Gli anni in cui si sono verificati riscaldamenti maggiori a metà inverno o riscaldamenti finali nei mesi di gennaio o febbraio sono indicati con triangoli. Le correlazioni lineari sono indicate negli angoli inferiori sinistro e destro di ciascun grafico, mentre la linea tratteggiata rappresenta l’adattamento lineare per ciascun insieme di dati. Due valori anomali (1989 e 1997) non sono stati utilizzati nei calcoli statistici. Questi diagrammi di dispersione aiutano a comprendere l’effetto del QBO tropicale sui fenomeni meteorologici nel Polo Nord, mettendo in evidenza la relazione tra le altezze del geopotenziale a 30 hPa e le diverse fasi del QBO tropicale. L’analisi di questi dati può fornire informazioni utili sulla dinamica della stratosfera e sull’influenza del QBO sul clima delle regioni extratropicali.
