Abstract. Le variazioni naturali della forza del vortice polare stratosferico settentrionale, note come eventi del vortice polare, sono essenziali per migliorare le previsioni climatiche invernali a medio e lungo termine. La ricerca precedente su questi eventi si è concentrata prevalentemente sui riscaldamenti stratosferici improvvisi (SSWs), che sono indebolimenti significativi del vortice polare. Solitamente, gli SSWs sono identificati quando il vortice inverte la sua direzione dei venti occidentali tipica dell’inverno. Tuttavia, questo studio adotta un approccio alternativo, definendo gli eventi sulla base del flusso di attività ondulatoria integrato e ponderato verso l’alto nella bassa stratosfera. Attraverso l’uso di una simulazione di controllo prolungata con un modello che risolve la stratosfera e la rianalisi ERA5, abbiamo confrontato vari aspetti di questa nuova definizione di attività ondulatoria con gli SSWs tradizionali nell’Artico. Abbiamo scoperto che circa la metà degli eventi ondulatori coincide con gli SSWs tradizionali. Tuttavia, definire gli estremi di debolezza stratosferica basandosi sugli eventi ondulatori offre numerosi vantaggi: questa definizione cattura con un unico criterio vari tipi di eventi, identifica sia SSWs intensi sia significativi eventi di riscaldamento finale, esclude gli SSWs deboli con scarso impatto a livello superficiale e potrebbe estendere l’orizzonte temporale per la previsione delle reazioni a livello di superficie. Pertanto, concludiamo che la guida delle onde rappresenta un prezioso indicatore anticipato per gli eventi del vortice polare stratosferico, sfruttando meglio il potenziale stratosferico per generare segnali prevedibili a livello superficiale rispetto agli SSWs tradizionali.

1. Introduzione

Il vortice polare domina la circolazione della stratosfera delle alte latitudini settentrionali durante l’inverno. Questo vortice mostra significative fluttuazioni di intensità nel corso della stagione, fenomeni che vengono definiti eventi del vortice polare (Christiansen, 1999; Kuroda e Kodera, 2001). Questi eventi sono particolarmente rilevanti poiché durano diverse settimane e influenzano direttamente la troposfera, modulando così le condizioni meteorologiche sulla superficie (Baldwin et al., 2003). Di conseguenza, comprendere questi eventi è cruciale per migliorare le previsioni meteorologiche da sub-stagionali a stagionali (S2S) (Sigmond et al., 2013; Scaife et al., 2021; Domeisen et al., 2020c).

Tra questi, i riscaldamenti stratosferici improvvisi (SSWs) sono gli eventi più estremi e studiati, rappresentando episodi in cui il vortice polare rallenta drasticamente e si riscalda al suo interno in pochi giorni (Scherhag, 1952; Baldwin et al., 2021). Questi eventi sono seguiti da una polarità negativa del modo annulare in superficie e da uno spostamento verso sud del getto troposferico a medie latitudini, effetti che possono persistere fino a due mesi (Kidston et al., 2015). Gli SSWs influenzano anche la chimica dell’ozono, incrementando la quantità di ozono stratosferico (Mclandress e Shepherd, 2009; Hong e Reichler, 2021). Gli SSW minori, a differenza di quelli maggiori che comportano un completo collasso e inversione della direzione dei venti occidentali invernali, sono caratterizzati da un’intensità ridotta, con i venti del vortice che restano occidentali per tutta la durata dell’evento (Labitzke, 1981).

La stratosfera è soggetta anche a periodi prolungati in cui il vortice si presenta notevolmente più intenso del normale, definiti eventi di vortice forte o di intensificazione del vortice. Questi eventi emergono più gradualmente rispetto agli eventi di vortice debole, e i cambiamenti meteorologici che ne derivano sono generalmente l’opposto di quelli associati agli eventi di vortice debole (Limpasuvan et al., 2005; Baldwin e Dunkerton, 2001).

Diverse metodologie sono state proposte per identificare gli eventi del vortice polare; gli articoli di Palmeiro et al. (2015) e Butler et al. (2015) forniscono una panoramica dettagliata. La maggior parte di questi metodi condivide l’approccio di utilizzare una certa caratteristica del vortice polare—come temperatura, vento zonale o altezza geopotenziale—sia in termini di una soglia assoluta, un pattern, un gradiente o una tendenza. Per esempio, Birner e Albers (2017) sfruttano la tendenza del flusso medio zonale per meglio delineare “la dinamica esplosiva di questi eventi”. Tuttavia, la definizione più comune si basa sull’inversione del vento zonale medio del vortice polare a livelli medio-stratosferici (a 60°N e 10 hPa), come descritto da Charlton e Polvani (2007) (di seguito: CP07). Questa inversione del vento è cruciale poiché segnala la totale disgregazione del vortice e stabilisce una condizione fondamentale per la propagazione delle onde: i venti orientali bloccano la propagazione ascendente delle onde planetarie su larga scala (Charney e Drazin, 1961) e sono essenziali per l’interazione con lo strato critico (Matsuno, 1971). Questo aspetto è vitale per la natura intensa degli SSWs e il loro impatto sulla troposfera. In base al criterio dell’inversione dei venti, gli eventi definiti da CP07 corrispondono tutti a SSWs maggiori e per il resto di questo studio saranno semplicemente denominati SSWs.

La natura estrema degli SSWs è probabilmente una delle principali ragioni per cui sono stati oggetto di intenso studio in passato. Tuttavia, rimane incerto quanto efficacemente la definizione CP07 riesca a identificare eventi con una significativa influenza dalla stratosfera alla troposfera, che è uno dei motivi principali per studiare gli eventi del vortice polare. Ad esempio, uno studio di Sigmond et al. (2013) ha rilevato che solo in due terzi dei casi esaminati, gli SSWs sono stati seguiti dal previsto Modo Annulare del Nord (NAM) negativo in superficie (Baldwin e Dunkerton, 2001). Un altro limite della definizione CP07 è la sua dipendenza da una soglia fissa; questa definizione registra anche la perturbazione di un vortice climatologicamente debole che presumibilmente ha un impatto superficiale relativamente minore. Inoltre, eventi che non superano la soglia ma che possono avere un notevole impatto in superficie non vengono rilevati con questa metodologia. La frequenza degli SSWs simulata da un modello può anche essere distorta da pregiudizi sulla forza del vortice polare, se viene impiegato un criterio di soglia fissa (ad esempio, Kim et al., 2017).

Ci sono ulteriori svantaggi nella definizione CP07. Ad esempio, le tendenze a lungo termine legate ai cambiamenti climatici nella forza del vortice polare (Karpechko e Manzini, 2017) possono alterare il numero di SSWs, anche se la variabilità stratosferica rimane inalterata (Mclandress e Shepherd, 2009; Kim et al., 2017). Inoltre, la definizione CP07 si concentra sull’effetto stratosferico degli eventi piuttosto che sulle cause dinamiche che li precedono. Questo aspetto può essere significativo per la previsione degli eventi del vortice polare nel contesto delle applicazioni da sub-stagionali a stagionali (S2S), poiché un approccio più incentrato sulle cause potrebbe estendere il limite di prevedibilità attualmente breve di 1-2 settimane per tali eventi (Domeisen et al., 2020b).

Lo scopo di questo studio è presentare e valutare una definizione alternativa per gli eventi del vortice polare che supera alcune limitazioni della definizione CP07. La nuova definizione si basa sul flusso di attività ondulatoria planetaria verso l’alto a 100 hPa, o, in modo equivalente, sul flusso di calore degli eddy verso i poli, spesso chiamato “guida ondulatoria stratosferica” (Newman e Nash, 2000). È ben noto che la guida ondulatoria gioca un ruolo cruciale nella circolazione stratosferica. Questo concetto ha origine dal modello di Matsuno per gli SSWs (Matsuno, 1971), che ha offerto la prima spiegazione dinamica degli SSWs attraverso l’interazione delle onde planetarie che si propagano verticalmente con il flusso zonale. Successivamente, Newman et al. (2001) hanno impiegato il quadro medio euleriano trasformato (Andrews et al., 1987) per chiarire ulteriormente, attraverso la rianalisi, il ruolo fondamentale della guida ondulatoria per la circolazione e le temperature stratosferiche invernali. Il lavoro pionieristico di Matsuno ha ispirato anche numerosi studi di modellazione che hanno esaminato la generazione di SSWs attraverso onde su scala planetaria (ad esempio, Holton e Mass, 1976; Reichler et al., 2005). Una analisi statistica di Jucker e Reichler (2018) ha evidenziato che la guida ondulatoria aumenta la probabilità di SSWs nelle tre settimane successive, contribuendo così a migliorare la loro previsione. Altri studi hanno associato periodi di guida ondulatoria ridotta e la risultante mancanza di interazione onda-flusso medio alla formazione di eventi di vortice intenso (ad esempio, Limpasuvan et al., 2005; Lawrence et al., 2020; Polvani e Waugh, 2004).

L’impiego della guida ondulatoria per identificare gli eventi del vortice polare non è una novità. Polvani e Waugh (2004) hanno definito questi eventi utilizzando un criterio di soglia basato sulla media del flusso ascendente di 40 giorni a 100 hPa. I risultati di questo studio, come illustrato nella loro Figura 4, mostrano grafici molto simili ai celebri “dripping paint” di Baldwin e Dunkerton (2001), confermando così che il flusso di attività ondulatoria è un indicatore significativo degli eventi successivi del vortice polare. Tuttavia, permangono diverse questioni aperte. Non è stata, ad esempio, realizzata un’analisi comparativa sistematica tra gli SSWs e gli eventi di guida ondulatoria, rendendo incerta la reattività del vortice polare e della superficie a quest’ultima rispetto agli SSWs. Inoltre, manca una descrizione statistica degli eventi di guida ondulatoria e del loro confronto con gli SSWs.

Un’altra questione riguarda quale criterio di guida ondulatoria sia più adeguato per definire questi eventi. La maggior parte degli studi precedenti concorda sul fatto che il flusso di attività ondulatoria a 100 hPa nella bassa stratosfera sia rilevante, dato che a questo livello il problema del filtraggio delle onde alla tropopausa non si pone più (Chen e Robinson, 1992). È importante notare che il flusso a 100 hPa non dovrebbe essere interpretato semplicemente come una propagazione di onde dalla troposfera alla stratosfera. Cámara et al. (2017) hanno evidenziato che solo un terzo della varianza del flusso di onde a 100 hPa può essere attribuito al flusso nella troposfera superiore (300 hPa). Hanno sottolineato che il livello di 100 hPa è ben al di sopra della tropopausa extratropicale e quindi già sotto l’influenza significativa dei processi stratosferici. Tuttavia, nel contesto del nostro studio, l’origine precisa del flusso di attività ondulatoria è meno rilevante. Studi precedenti hanno anche mostrato che i valori giornalieri del flusso di attività ondulatoria sono meno significativi rispetto ai valori accumulati nel tempo. Per esempio, Newman et al. (2001) hanno dimostrato che la guida ondulatoria accumulata in 45 giorni a 100 hPa durante la metà e la fine dell’inverno correlava fortemente con le temperature stratosferiche polari del marzo successivo.

Inoltre, studi osservazionali hanno mostrato che gli eventi di guida ondulatoria di solito durano da una a due settimane (Randel et al., 2002) e che le perturbazioni del vortice polare in un dato giorno sono più correlate all’integrazione delle attività ondulatorie delle settimane precedenti piuttosto che alla loro manifestazione istantanea (Polvani e Waugh, 2004). Analogamente, Sjoberg e Birner (2012) hanno scoperto che una guida ondulatoria con una durata superiore ai 9 giorni è più efficace nel generare SSWs rispetto a un’intensa ma breve attività ondulatoria. Di conseguenza, e come dettaglieremo più avanti, nel nostro studio consideriamo un integrale temporale ponderato della guida ondulatoria nella bassa stratosfera (100 hPa) per definire gli eventi del vortice polare. Il livello di 100 hPa, ben sopra la tropopausa extratropicale (circa 200 hPa), ma abbastanza basso da creare un margine temporale tra il flusso di attività ondulatoria e la perturbazione del vortice, è il metodo più comune per misurare il flusso di attività ondulatoria che penetra nella stratosfera. Sono necessari circa 4 giorni affinché le onde si propaghino dalla bassa alla media stratosfera e interagiscano con il flusso medio (Horan e Reichler, 2017). Analizziamo un set di dati di rianalisi moderni e una lunga simulazione con un modello accoppiato che risolve la stratosfera per espandere e chiarire i risultati degli studi precedenti. Questo confronto sistematico tra la definizione di guida ondulatoria e quella degli SSW di Charlton e Polvani (2007) è realizzato per evidenziare i risultati in termini statistici, grazie all’utilizzo dei dati dalla simulazione prolungata del modello. Il vasto numero di eventi registrati permette un’esplorazione approfondita delle distribuzioni e dei sottogruppi di eventi specifici.

La maggior parte delle nostre analisi è supportata da un esame dei dati di rianalisi per stabilire un punto di riferimento per l’atmosfera osservata. Inoltre, ci concentriamo principalmente sugli eventi che precedono una guida ondulatoria anomala positiva, data la loro somiglianza agli SSWs. Tuttavia, quando possibile, includiamo anche eventi caratterizzati da una guida ondulatoria ridotta. La Sezione 2 del documento inizia con la descrizione dei nostri dati e delle simulazioni del modello. Prosegue poi con la definizione degli eventi di guida ondulatoria e l’illustrazione dei nostri metodi statistici. I risultati, presentati nella Sezione 3, sono articolati in sette parti: iniziamo con la validazione del modello rispetto alle variabili rilevanti per questo studio. Poi, esaminiamo la sensibilità della nuova definizione alla soglia minima di guida ondulatoria. Descriviamo successivamente il ciclo di vita tipico degli eventi di guida ondulatoria e analizziamo l’evoluzione delle anomalie della pressione al livello del mare che precedono gli eventi. Continuiamo poi con la descrizione degli eventi di guida ondulatoria osservati in passato. Esploriamo inoltre la relazione probabilistica tra la guida ondulatoria, i venti del vortice polare e la pressione al livello del mare, presentando la stagionalità degli eventi di guida ondulatoria in termini di frequenza e impatto superficiale. La sezione si conclude presentando le risposte spaziali della pressione al livello del mare relative ai vari tipi di eventi. Complessivamente, i risultati dimostrano che definire gli eventi del vortice polare basandosi esclusivamente sulle informazioni relative alla guida ondulatoria precedente funziona sorprendentemente bene, offrendo numerosi vantaggi rispetto alla metodologia CP07 per gli SSWs. Il documento si conclude con una discussione nella Sezione 4.

2. Dati e metodologia

Le stime giornaliere osservate sono ottenute dal reanalisi ECMWF v5 (ERA5) (Hersbach et al., 2020), coprendo il periodo dal 1979 al 2020. La rianalisi è stata scaricata a intervalli orari con una risoluzione di 0.25 gradi, successivamente mediata per ottenere valori giornalieri e interpolata su una griglia di 1 grado. I dati di simulazione giornalieri provengono da una simulazione di controllo quasi decennale con HI-CM2.1 (d’ora in poi “il modello”), una versione del modello climatico accoppiato CM2.1 del GFDL che risolve la stratosfera (Delworth et al., 2006). Il modello include 48 livelli verticali (Staten e Reichler, 2014), il doppio di quelli del CM2.1 originale, un tetto del modello posto a 0.002 hPa (circa 92 km), e una griglia orizzontale globale di 144 × 90 (circa 2 gradi per lato). I gas serra, le concentrazioni di ozono e altre forzanti esterne sono stati fissati ai livelli del 1990 e mantenuti costanti nel tempo. I primi 1000 anni della simulazione sono stati scartati per attenuare i problemi iniziali di avviamento.

Identifichiamo due tipi di eventi del vortice polare. Il primo tipo sono gli SSWs, identificati seguendo la definizione di CP07 (Charlton e Polvani, 2007). Un SSW si verifica quando il vento zonale medio giornaliero a 10 hPa e 60° N passa da occidentale a orientale (ovvero la data di inizio o centrale, t0) tra il 1 novembre e il 31 marzo, a condizione che successivamente il vortice torni occidentale per almeno 10 giorni consecutivi prima del 30 aprile. Gli SSW multipli in una stagione devono essere separati da almeno 20 giorni consecutivi di venti occidentali. Per ogni SSW, determiniamo anche il valore minimo associato durante i 10 giorni successivi all’inizio, l’anomalia di questo minimo rispetto alla climatologia giornaliera, e un parametro che sarà definito nella sezione successiva.

Il secondo tipo di evento che analizziamo è quello degli eventi di guida ondulatoria. La definizione di questi eventi si basa sui valori giornalieri della componente verticale del flusso di Eliassen-Palm (EP), un concetto sviluppato nella teoria quasi-geostrofica da Eliassen e Palm nel 1961. Questa componente viene calcolata per tutte le onde nella bassa stratosfera (100 hPa) e mediata in base alla latitudine, da 20 a 90 gradi nord. I valori ottenuti sono poi scalati per creare magnitudini vicine all’unità, garantendo che un segno positivo indichi una propagazione verso l’alto. Inoltre, questi valori sono normalizzati eliminando la climatologia giornaliera e dividendo per la deviazione standard giornaliera.

La ricerca di “eventi di guida ondulatoria positivi” inizia ogni inverno il 1° novembre. Da questa data, impostiamo l’indice temporale corrente e quello di un evento precedente. Avanziamo quindi giorno per giorno, calcolando ad ogni passo la somma dei valori normalizzati, che possono essere sia positivi sia negativi, tra la data corrente e quella dell’evento precedente. I pesi assegnati a questi valori seguono una funzione esponenziale decrescente, dando maggiore importanza ai valori più recenti rispetto a quelli più remoti.

Si noti che le unità usate per misurare gli eventi corrispondono a deviazioni standard giornaliere. L’adozione di una ponderazione non uniforme si giustifica con il fatto che il ricordo degli eventi di guida ondulatoria passati si attenua col tempo, man mano che il vortice tende a riallinearsi ai valori climatici normali. Le nostre sperimentazioni hanno rivelato l’importanza di utilizzare un periodo di dimezzamento abbastanza esteso: un periodo più breve tende a selezionare eventi caratterizzati da anomalie negative più marcate della modalità annulare settentrionale stratosferica e seguiti da risposte superficiali meno intense. Il periodo di dimezzamento di 50 giorni adottato nel nostro studio è in linea con quello utilizzato in ricerche precedenti.

In base alla nostra definizione, un evento di guida ondulatoria positiva viene identificato quando l’accumulo di guida ondulatoria supera una certa soglia critica. Nella Sezione 3.2, dettaglieremo come abbiamo determinato empiricamente tale soglia per i dati del modello e per i dati ERA5. Procediamo avanzando giorno per giorno fino a quando il valore giornaliero non diventa negativo, che segna la fine dell’evento di guida ondulatoria e stabilisce la data finale di inizio per l’evento di guida ondulatoria positiva. Successivamente, ricominciamo la ricerca di ulteriori eventi di guida ondulatoria positiva impostando il giorno di riferimento precedente e ripetendo la somma descritta. Similmente agli SSWs, più eventi di guida ondulatoria positiva nello stesso inverno devono essere distanziati di almeno 20 giorni, senza ulteriori requisiti relativi al segno del valore giornaliero o della velocità del vento durante questo periodo.

Gli eventi di guida ondulatoria negativa sono definiti analogamente a quelli positivi, ma la soglia critica è negativa e il segno delle disuguaglianze è invertito.

La ricerca di eventi di guida ondulatoria si conclude il 1° giugno dell’anno successivo, permettendo così che le date di inizio degli eventi di guida ondulatoria positiva (PWD) possano verificarsi anche ad aprile o più tardi. Tuttavia, nella pratica, i PWD ad aprile sono rari, e nel modello sono stati rilevati solo due eventi, pari allo 0,038% del totale, all’inizio di maggio.

Analogamente agli SSWs, per ogni evento registriamo il valore minimo, l’anomalia di questo minimo rispetto alla climatologia giornaliera e il totale della guida ondulatoria accumulata prima dell’evento. Una tabella riporta alcune statistiche relative agli SSWs, ai PWDs e agli eventi di guida ondulatoria negativa (NWDs). Come previsto, sia gli SSWs che i PWDs mostrano mediamente valori positivi di guida ondulatoria accumulata, anche se i valori medi per i PWDs sono superiori rispetto a quelli degli SSWs. Alcuni SSWs presentano addirittura valori negativi.

Considerando che certi SSWs e PWDs corrispondono allo stesso evento, definiamo un “evento comune” un PWD la cui data di inizio cade entro ±20 giorni da quella di un SSW. Similmente, i PWD esclusivi e gli SSW esclusivi sono eventi classificati rispettivamente solo come PWD o solo come SSW.

Utilizziamo dati giornalieri su temperatura superficiale, precipitazioni e pressione a livello del mare (SLP) per descrivere le condizioni superficiali seguenti agli eventi stratosferici. Per fare ciò, calcoliamo le anomalie giornaliere di SLP mediate sulla calotta polare settentrionale e sul Pacifico Nord. Queste medie sono ottenute applicando un peso in base alla latitudine e coprono rispettivamente le zone da 60 a 90°N per tutte le longitudini e da 35 a 60°N tra 160°E e 120°W. Inoltre, calcoliamo la media di SLP dai giorni 0 a 59 dopo l’inizio di un evento, per offrire una stima approssimativa dell’impatto superficiale complessivo dell’evento.

Analizziamo l’interazione tra gli eventi del vortice e la superficie in termini di anomalie della quota geopotenziale mediate sulla calotta polare settentrionale. Questo metodo è simile all’approccio basato sulla funzione empirica ortogonale utilizzato per l’indice del Modo Annulare del Nord. Per valutare la significatività statistica delle anomalie composite e determinare gli intervalli di confidenza, applichiamo un test t di Student bilaterale con un valore di significatività p < 0.05.

Per quanto riguarda la variabilità climatica, costruiamo un indice giornaliero Niño 3.4 basato sulla media delle temperature superficiali anomale nella regione Niño 3.4. Successivamente, calcoliamo un indice Niño 3.4 annuale (per la stagione invernale) facendo la media dell’indice giornaliero su un periodo di sei mesi centrato sul 1° febbraio. Le fasi di ENSO (El Niño-Oscillazione del Sud) sono determinate osservando se l’indice Niño 3.4 annuale di un dato inverno supera i quartili superiore o inferiore della sua distribuzione. Un evento di El Niño o La Niña è identificato quando si verificano queste condizioni, con soglie diverse a seconda che si usino i dati del modello o quelli di ERA5, riflettendo una maggiore variabilità dell’ENSO nel modello rispetto a ERA5.

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La Figura 1 confronta le simulazioni di un modello climatico con i dati rianalizzati ERA5 per il periodo dal 1979 al 2020, fornendo una valida verifica delle performance del modello. La figura è divisa in tre parti principali:

  1. Ciclo stagionale del vento zonale (Pannello a): Questo grafico mostra il ciclo stagionale medio del vento zonale a 10 hPa e 60° N (u1060), misurato in metri al secondo (m/s). Le linee più spesse rappresentano la media climatologica secondo il modello e secondo ERA5, mentre le linee più sottili intorno a queste indicano la deviazione standard (±1σ) da questa media. Il confronto tra le linee spesse di entrambe le serie evidenzia la corrispondenza o le differenze nel comportamento stagionale del vento tra i dati osservati e quelli simulati.
  2. Ciclo stagionale della guida ondulatoria stratosferica (Pannello b): Qui, il focus è sulla guida ondulatoria stratosferica (FZ), trasformata in unità di guida ondulatoria (WDU) da −10^5 kg m s^-4. Allo stesso modo del primo pannello, le curve più spesse mostrano il ciclo medio stagionale calcolato sia dal modello sia dalla rianalisi ERA5, mentre le linee sottili mostrano la variazione standard attorno a questa media. Questo grafico fornisce un’indicazione chiara di come la guida ondulatoria varia nel corso dell’anno e della sua rappresentazione nel modello rispetto ai dati osservati.
  3. Distribuzione giornaliera della guida ondulatoria durante l’inverno (Pannello c): Questo istogramma confronta la frequenza dei diversi valori di FZ durante i mesi invernali (Dicembre, Gennaio, Febbraio, Marzo) per ERA5 e il modello. L’inserto mostra le statistiche chiave come la media, la deviazione standard e il 90° percentile per entrambe le distribuzioni, fornendo una misura quantitativa della variabilità di FZ nei due set di dati. L’istogramma aiuta a visualizzare la frequenza con cui si verificano determinati livelli di attività ondulatoria nella stratosfera nei dati rianalizzati rispetto al modello.

In sintesi, la Figura 1 fornisce un confronto approfondito tra il modello e i dati rianalizzati, valutando la capacità del modello di riprodurre le caratteristiche fondamentali dell’atmosfera superiore, quali il vento zonale e la guida ondulatoria stratosferica, che sono cruciali per la comprensione dei fenomeni climatici globali.

La Tabella 1 mostra le statistiche relative all’anomalia della guida ondulatoria accumulata prima dell’inizio di vari eventi atmosferici, sia per il modello climatico studiato sia per i dati di rianalisi ERA5. Questi eventi includono Riscaldamenti Stratosferici Improvvisi (SSW), eventi di guida ondulatoria positiva (PWD) ed eventi di guida ondulatoria negativa (NWD).

  • Tipi di evento: La tabella è divisa in tre categorie principali di eventi: SSW, PWD e NWD. Gli SSW sono fenomeni durante i quali si verifica un indebolimento improvviso del vortice polare. I PWD sono caratterizzati da un’intensa attività ondulatoria verso l’alto, che può contribuire a indebolire il vortice. Al contrario, i NWD sono associati a una minore o negativa attività ondulatoria verso l’alto.
  • Media: Questo valore rappresenta la media dei giorni di guida ondulatoria accumulata prima di ciascun evento. Ad esempio, per gli eventi SSW nel modello, la media è di circa 12.5 giorni di attività ondulatoria intensa, mentre per i PWD è di circa 17.5 giorni.
  • Massimo e Minimo: Questi valori mostrano l’estremo superiore e inferiore dell’attività ondulatoria accumulata misurata. Per esempio, per i PWD nel modello, il massimo registrato è di 42.5 giorni, il che indica un’intensa attività ondulatoria prima dell’evento. Il minimo, d’altra parte, indica la minore intensità registrata, che per i NWD nel modello è di -34.9 giorni, mostrando una forte attività ondulatoria negativa.
  • Soglia critica: Viene anche indicato un valore soglia, che aiuta a definire quando un’attività ondulatoria è sufficientemente intensa da essere considerata un PWD o un NWD. Per il modello, questa soglia è di circa ±12.9 giorni, mentre per i dati ERA5 è di circa ±12.3 giorni.

In sintesi, la tabella fornisce una comparazione dettagliata dell’intensità della guida ondulatoria accumulata prima di eventi significativi nell’atmosfera superiore, permettendo di confrontare le simulazioni del modello con le osservazioni reali di ERA5. Questo tipo di analisi è fondamentale per capire come diversi tipi di attività ondulatoria possano influenzare o essere associati con cambiamenti dinamici significativi nella stratosfera.

3. Risultati

3.1 Validazione del modello

Iniziamo la nostra discussione validando il modello confrontandolo con i dati di rianalisi ERA5. Studi precedenti hanno già dimostrato che sia HI-CM2.1 che la sua versione con limite superiore più basso, CM2.1, producono simulazioni affidabili della troposfera, della stratosfera e dell’oceano. In questo studio, ci concentriamo su due variabili cruciali: il vento zonale medio a 60° N e 10 hPa e il flusso di attività ondulatoria verso l’alto a 100 hPa. Il modello riproduce accuratamente sia il ciclo stagionale climatologico di queste variabili sia la loro variabilità interannuale, come mostrato nella Figura 1a e 1b. Inoltre, il modello riflette con precisione la distribuzione giornaliera del flusso di attività ondulatoria durante l’inverno boreale (DJFM), come illustrato nella Figura 1c.

La fiducia nelle prestazioni del modello è rafforzata anche dal buon allineamento tra la frequenza dei Riscaldamenti Stratosferici Improvvisi (SSW) simulata, che è del 58%, e quella osservata nei dati ERA5, che è del 62%. Vi è anche una notevole somiglianza nelle risposte della pressione a livello del mare agli eventi del vortice polare tra i due set di dati. È importante sottolineare che la frequenza degli eventi è espressa come percentuale degli eventi all’anno, moltiplicata per 100.

3.2 Sensibilità degli eventi di guida ondulatoria alla soglia critica

Nella nostra analisi successiva, ci focalizziamo su quanto la scelta della soglia critica influenzi la frequenza degli eventi di guida ondulatoria positiva (PWD) e la loro risposta in termini di pressione a livello del mare (SLP), misurata nei primi 59 giorni successivi all’evento. Le curve rosse nei pannelli superiori della Figura 2 illustrano che, man mano che aumenta la soglia critica, la frequenza dei PWD simulati dal modello diminuisce, mentre la loro risposta in termini di SLP cresce. Le linee orizzontali nere indicano i risultati corrispondenti per i Riscaldamenti Stratosferici Improvvisi (SSW), che sono del 58% per la frequenza e 1.7 hPa per la risposta di SLP.

Le curve relative ai PWD e agli SSW si incrociano quando la soglia critica è impostata a circa 12.9 giorni. Pertanto, useremo questo valore come riferimento per definire i PWD o gli eventi di guida ondulatoria negativa (NWD) nel resto dello studio. A questa soglia, i PWD inducono una risposta di SLP leggermente maggiore (circa 2.0 hPa) rispetto agli SSW (circa 1.7 hPa), e questa differenza è statisticamente significativa, come evidenziato dall’ombreggiatura nella Figura 2b.

È anche rilevante notare che gli eventi EX-PWD forti, cioè quegli eventi del vortice polare con un’attività ondulatoria superiore a 16 unità ma non identificati come SSW, generano in media una risposta di SLP più marcata rispetto agli SSW. Al contrario, gli eventi EX-SSW, che non sono classificati come PWD, tendono a mostrare una risposta di SLP più debole.

Infine, i pannelli inferiori della Figura 2 confermano che i risultati ottenuti con i dati ERA5 sono generalmente simili a quelli del modello, ma mostrano maggiore variabilità a causa della minore dimensione del campione, rendendo la differenza di SLP tra PWD e SSW non significativa.

3.3 Cicli di vita degli eventi stratosferici

Studi precedenti hanno utilizzato il concetto dei cicli di vita medi compositi per illustrare l’evoluzione temporale tipica degli eventi stratosferici, come mostrato da Baldwin e Dunkerton nel 2001. La Figura 3 adotta questo approccio per presentare i cicli di vita dei Riscaldamenti Stratosferici Improvvisi (SSW), degli eventi di guida ondulatoria positiva (PWD) e degli eventi di guida ondulatoria negativa (NWD) attraverso due rappresentazioni: una per i dati di ERA5 e l’altra per il modello. I grafici mostrano compositi di diverse variabili, tutti centrati sulla data di inizio t0 (giorno 0) degli eventi. La nostra discussione si concentra principalmente sui risultati ottenuti dal modello, anche se si osserva che i risultati della rianalisi sono simili.

Nelle figure 3a e 3b, osserviamo l’evoluzione composita della guida ondulatoria a 100 hPa. Sia i PWD (rappresentati in rosso) che gli SSW (in nero) sono caratterizzati da una forte guida ondulatoria positiva che culmina a circa 5-6 unità. Tuttavia, la guida ondulatoria per i PWD è più ampia e intensa rispetto agli SSW e inizia circa 10 giorni prima. Come indicato nella Tabella 1, i PWD sono in media preceduti da una quantità di guida ondulatoria accumulata superiore del 39% rispetto agli SSW.

Sia i PWD che gli SSW sono seguiti da persistenti anomalie negative di guida ondulatoria, un risultato ampiamente riconosciuto nella letteratura scientifica. Per i NWD (mostrati in blu), la guida ondulatoria è generalmente simmetrica ma opposta a quella dei PWD, con le anomalie negative che iniziano leggermente prima e raggiungono solo circa -4 unità al momento dell’inizio.

Le figure 3c e 3d illustrano la risposta del vortice polare analizzando il vento zonale a 60°N e 10 hPa, insieme al ciclo climatologico annuale centrato sulle rispettive date di inizio. Mentre gli SSW attraversano per definizione la linea di vento zero all’inizio, il vento per i PWD non arriva quasi a zero, suggerendo che non tutti i PWD attraversano questa linea di demarcazione. Le differenze tra le linee continue e quelle tratteggiate, che rappresentano la climatologia, rivelano che sia i PWD che gli SSW sono associati ad anomalie negative del vento zonale già 50-60 giorni prima dell’inizio, indicando una predisposizione del vortice prima degli eventi.

Ridotta guida ondulatoria e rafforzamento del vortice Dopo l’inizio degli eventi, sia i Riscaldamenti Stratosferici Improvvisi (SSW) sia gli eventi di guida ondulatoria positiva (PWD) mostrano un notevole rafforzamento del vortice, che diventa significativamente più forte circa 40 giorni dopo l’inizio e rimane tale per tutto il resto dell’inverno. Questo vortice più robusto del normale è associato ai riscaldamenti finali che si verificano circa 15 giorni più tardi rispetto al normale ciclo climatico, come osservato sia nelle rianalisi che nel modello. Per gli eventi di guida ondulatoria negativa (NWD), il vortice diventa inizialmente più debole, iniziando circa 60 giorni prima dell’evento, per poi intensificarsi notevolmente a seguito della ridotta guida ondulatoria, con un picco di intensità pochi giorni dopo l’inizio. Le anomalie del vento associato al vortice tendono a regredire verso la norma climatica circa 30 giorni dopo l’inizio, seguite da un leggero indebolimento del vortice, con il riscaldamento finale degli NWD che si allinea con la media climatologica.

Impatto sulla pressione a livello del mare e oscillazione del Nord Atlantico Le analisi mostrano che sia gli SSW sia i PWD sono seguiti da un aumento della pressione a livello del mare, indicativo di una fase negativa dell’Oscillazione del Nord Atlantico (NAO). Queste anomalie di pressione raggiungono il picco circa 5-10 giorni dopo l’inizio degli eventi e diminuiscono quasi linearmente nel corso dei successivi 60 giorni. È interessante notare che i PWD sono associati ad anomalie più marcate e persistenti rispetto agli SSW, una differenza che risulta essere statisticamente significativa. Entrambi i tipi di eventi sono anche caratterizzati da forti anomalie negative della pressione a livello del mare che iniziano circa 20 giorni prima degli eventi stessi. Gli NWD, in particolare, mostrano significative anomalie negative della pressione che iniziano circa 50 giorni prima dell’evento, per poi invertire brevemente in anomalie positive alcuni giorni prima dell’inizio. Le anomalie successive tendono ad essere opposte a quelle dei PWD, con valori negativi prolungati e intensi che persistono per oltre 90 giorni.

Per analizzare la struttura spaziale delle anomalie della pressione a livello del mare (SLP) che precedono gli eventi, nella Figura 4 sono mostrate le mappe dell’emisfero nord, rappresentando le medie composite simulate dal modello della SLP a intervalli di 10 giorni prima dell’inizio degli eventi. Queste medie includono solo gli eventi stratosferici che si verificano durante anni di ENSO neutro, al fine di minimizzare le influenze delle teleconnessioni legate all’ENSO.

Nelle fasi a -25 e -15 giorni prima dell’evento, i compositi per gli eventi di guida ondulatoria positiva (PWD) evidenziano un dipolo ad alta latitudine, con bassa pressione sull’emisfero occidentale e alta pressione sull’emisfero orientale. Questo pattern è simile ai precursori troposferici degli eventi di indebolimento del vortice descritti da Garfinkel et al. nel 2010 e indica un rafforzamento della componente climatologica del numero d’onda-1 delle altezze geopotenziali. Queste anomalie, quando aggregate su tutta la calotta polare, risultano prevalentemente negative, il che spiega le precedenti anomalie negative di SLP osservate nella Figura 3f.

Circa 5 giorni prima dell’inizio dell’evento, il dipolo dei PWD diventa più intenso e si sposta verso il polo, con un’alta pressione marcata sul settore euro-atlantico che è indicativa di condizioni di blocco atmosferico. Contemporaneamente, emerge un dipolo nord-sud sul Pacifico nord occidentale, che riecheggia alcune delle scoperte osservative precedenti.

Cinque giorni dopo l’inizio dell’evento, si manifesta il classico pattern negativo dell’Oscillazione Nord Atlantica (NAO), in netto contrasto con il pattern di SLP osservato cinque giorni prima. Questo dimostra che le condizioni meteorologiche ad alta latitudine nella troposfera subiscono cambiamenti significativi a seguito dei precursori e degli effetti discendenti degli eventi stratosferici.

I pattern di SLP associati agli SSW sono simili a quelli dei PWD, ma tendono generalmente a essere meno intensi.

Situazione degli eventi di guida ondulatoria negativa (NWD)

Gli eventi NWD presentano dinamiche significativamente diverse, come evidenziato nella parte inferiore della Figura 4. A partire da 25 giorni prima dell’inizio, questi eventi sono caratterizzati da pronunciate anomalie della pressione a livello del mare (SLP) che riflettono una fase positiva dell’Oscillazione Nord Atlantica (NAO) nel settore atlantico. Inoltre, si osserva un’anomalia fortemente positiva sul Pacifico Nord, che insieme all’anomalia negativa sull’Islanda contribuisce a ridurre il modello climatico del numero d’onda-1, spiegando l’anomalia negativa nella guida ondulatoria mostrata nella Figura 3b. Nonostante nei compositi siano inclusi solo eventi durante anni di ENSO neutri, l’indice Niño 3.4 composito per i NWD in questi periodi registra un valore di -0,24 K, suggerendo una leggera predisposizione per condizioni simili a La Niña, che spiega le persistenti anomalie positive della SLP sul Pacifico Nord che iniziano fino a 25 giorni prima dell’evento.

La rianalisi ERA5 rivela pattern similari, sebbene molto più incerti a causa del numero limitato di eventi analizzati. È importante sottolineare che la Figura 4 fornisce solo una visione parziale, poiché unisce diversi tipi di precursori in una media generale. Sono necessari ulteriori studi per affrontare questa questione e migliorare la comprensione dei precursori degli eventi stratosferici.

Osservazioni dall’indice NAM

Ritornando alla Figura 3, i sei pannelli inferiori illustrano le sezioni trasversali tempo-altitudine dell’indice NAM. È notevole osservare che i PWD, basati esclusivamente su informazioni relative alla guida ondulatoria antecedente agli eventi, manifestano una tempistica e un’intensità delle anomalie NAM molto simili a quelle degli SSW, nonostante l’incertezza aggiuntiva su come la stratosfera reagisca effettivamente alla guida ondulatoria. La differenza principale risiede nel fatto che i PWD mostrano una reazione negativa della NAM superficiale più marcata e duratura dopo l’inizio, e una NAM stratosferica più positiva circa 30 giorni prima dell’inizio.

Si noti che le anomalie negative dell’indice NAM corrispondono a anomalie positive dell’altezza geopotenziale sulla calotta polare e viceversa; perciò, nella Figura 3, sono rappresentate con sfumature rosse per le anomalie negative e blu per quelle positive. Queste precedenti anomalie positive del NAM indicano che i PWD potrebbero essere più strettamente collegati alle oscillazioni del getto polare notturno, fenomeno caratterizzato da oscillazioni quasi periodiche che nascono dall’interazione ritardata tra il flusso di attività ondulatoria e la forza del vortice, rispetto agli SSW.

Un’ulteriore osservazione interessante è che sia gli SSW sia i PWD sono preceduti da anomalie positive del NAM in superficie, pochi giorni prima dell’inizio degli eventi, con anomalie leggermente più marcate per gli SSW rispetto ai PWD. Questo aspetto è in linea con le diverse evoluzioni della pressione a livello del mare mostrate nelle Figure 3f e 4. Inoltre, i compositi del NAM per i PWD da ERA5 sono simili ai compositi di alto flusso di calore per la rianalisi NCEP/NCAR e ai compositi “dripping paint” di Baldwin e Dunkerton.

Per quanto riguarda i NWD, caratterizzati da anomalie positive persistenti del NAM a causa della ridotta guida ondulatoria ben prima dell’inizio dell’evento, queste anomalie sono seguite da variazioni del NAM che sono simili ma opposte a quelle dei PWD, anche se di magnitudine inferiore. La persistenza di queste anomalie per oltre 90 giorni è particolarmente notevole.

La Figura 2 mostra come la scelta di un valore soglia specifico per la guida ondulatoria influenzi due aspetti principali degli eventi atmosferici studiati: la frequenza degli eventi e la risposta della pressione a livello del mare.

Pannelli Superiori (Modello)

  • Frequenza degli eventi: Questo grafico illustra come varia la frequenza degli eventi di guida ondulatoria positiva (PWD) e dei Riscaldamenti Stratosferici Improvvisi (SSW) al variare del valore soglia. Si osserva che quando il valore soglia è impostato a circa 13 giorni, la frequenza dei PWD è simile a quella degli SSW, suggerendo che questa soglia cattura in modo efficace entrambi i tipi di eventi.
  • Risposta della superficie: Qui vediamo l’effetto degli eventi sulla pressione a livello del mare, misurata sulla calotta polare dal giorno dell’evento fino a 59 giorni dopo. Il grafico mostra che, a un valore soglia di circa 11 giorni, la risposta della pressione per i PWD è simile a quella degli SSW, indicando che la soglia scelta può essere ottimale per studiare l’impatto di tali eventi sulla pressione superficiale.

Pannelli Inferiori (ERA5)

  • Frequenza degli eventi: I risultati utilizzando i dati ERA5 mostrano una tendenza simile a quella del modello, con la frequenza degli eventi che diminuisce all’aumentare del valore soglia. Questo conferma ulteriormente l’importanza della scelta appropriata della soglia per analizzare correttamente la frequenza degli eventi.
  • Risposta della superficie: Anche in questo caso, la pressione a livello del mare mostra variazioni simili a quelle osservate nel modello, anche se i dati sono leggermente più incerti a causa del minor numero di eventi disponibili.

In entrambi i casi, i grafici distinguono tra eventi esclusivamente di tipo PWD e SSW, mostrando che i loro comportamenti possono differire notevolmente a seconda del tipo di evento considerato.

In sintesi, la Figura 2 mette in luce l’importanza di scegliere accuratamente la soglia per la guida ondulatoria per comprendere correttamente sia la frequenza sia l’impatto degli eventi stratosferici sulla pressione superficiale. Questo è dimostrato sia nei dati del modello sia in quelli di rianalisi ERA5.

La Figura 3 illustra il ciclo di vita medio degli eventi di Riscaldamento Stratosferico Improvviso (SSW), di guida ondulatoria positiva (PWD) e di guida ondulatoria negativa (NWD), utilizzando sia dati osservativi (ERA5) sia risultati di un modello. La figura è organizzata in una serie di pannelli che mostrano diverse misurazioni e analisi di questi fenomeni stratosferici.

Anomalie della Guida Ondulatoria

I primi due pannelli in alto mostrano come la guida ondulatoria varia nei giorni che precedono l’inizio degli eventi. Le linee più spesse indicano le anomalie statisticamente significative. Questo ci aiuta a vedere quanto intensamente l’atmosfera è disturbata prima di un evento.

Velocità del Vento Zonale

I successivi due pannelli evidenziano la velocità del vento zonale a un’altezza specifica dell’atmosfera. Le linee tratteggiate rappresentano il normale ciclo stagionale del vento, fornendo un contesto per quanto le condizioni reali si discostino dalla norma.

Anomalie della Pressione al Livello del Mare

I pannelli centrali tracciano le anomalie della pressione a livello del mare nella regione polare. Anche qui, le linee più spesse segnalano le anomalie che sono significative dal punto di vista statistico, offrendo una misura dell’impatto degli eventi sulla pressione superficiale.

Sezioni Trasversali delle Altezze Geopotenziali

La parte inferiore della figura mostra come le altezze geopotenziali variano nel tempo e con l’altitudine durante gli eventi. Le anomalie sono rappresentate con sfumature di colore che indicano intensità diverse, con contorni aggiuntivi che enfatizzano le deviazioni più estreme.

I pannelli sinistri della figura si basano sui dati di ERA5, coprendo 26 eventi di ciascun tipo, mentre i pannelli destri derivano da un modello che ha analizzato migliaia di eventi. Questo consente un confronto tra le osservazioni reali e le simulazioni di modello, enfatizzando le differenze o similitudini nella rappresentazione degli eventi stratosferici.

In sintesi, la Figura 3 fornisce un’analisi dettagliata e comparativa di diversi aspetti dei fenomeni stratosferici, mettendo in luce le dinamiche complesse che governano questi eventi e il loro impatto sul clima più ampio.

La Figura 4 mostra le anomalie della pressione a livello del mare (SLP) che anticipano tre tipi di eventi atmosferici durante anni con condizioni ENSO neutrali, secondo i dati di un modello. Ogni riga della figura è dedicata a un tipo di evento: Riscaldamenti Stratosferici Improvvisi (SSW) nella prima riga, eventi di guida ondulatoria positiva (PWD) nella seconda, e eventi di guida ondulatoria negativa (NWD) nella terza. Le colonne illustrano queste anomalie di pressione a vari intervalli di tempo prima e dopo l’inizio dell’evento, specificamente a 25, 15 e 5 giorni prima, e 5 giorni dopo l’inizio dell’evento.

Anomalie di Pressione a Livello del Mare:

  • Colori: Le anomalie positive sono rappresentate in tonalità di rosso, mentre quelle negative sono in blu, aiutando a visualizzare rapidamente aree di alta e bassa pressione.
  • Significatività: Tutte le anomalie mostrate sono statisticamente significative, confermando che i modelli non sono il risultato di fluttuazioni casuali ma riflettono cambiamenti consistenti.

Comportamento delle Anomalie nel Tempo:

  • Giorni -25 e -15: Durante questi periodi, si possono vedere configurazioni distinte di pressione che configurano l’ambiente atmosferico che potrebbe portare agli eventi stratosferici.
  • Giorno -5: Questa vista offre un’istantanea delle condizioni atmosferiche immediatamente prima dell’evento, fornendo indizi sulla sua imminente manifestazione.
  • Giorno +5: Mostra come la pressione atmosferica risponde nei giorni immediatamente successivi all’evento, offrendo una comprensione della reazione atmosferica agli eventi iniziati.

Dettagli aggiuntivi:

  • Numero di eventi: Sono stati analizzati 2607 SSW, 2291 PWD e 2172 NWD, garantendo una base di dati ampia per rendere le conclusioni più affidabili.
  • Indici Compositi: L’indice Niño 3.4 mostra valori leggermente diversi per ciascun tipo di evento, suggerendo che le diverse condizioni dell’ENSO possono avere un impatto su questi fenomeni.

In conclusione, la Figura 4 fornisce una chiara visualizzazione di come si sviluppano le anomalie di pressione nei giorni che portano a significativi eventi stratosferici, evidenziando l’importanza di monitorare queste variazioni per comprendere meglio i complessi processi atmosferici coinvolti.

3.4 Storia degli eventi passati

La Figura 5 ci offre una panoramica di quando si sono verificati gli eventi di guida ondulatoria nell’atmosfera reale e come questi si confrontano con i Riscaldamenti Stratosferici Improvvisi (SSW). Attraverso questa figura, possiamo vedere l’evoluzione della velocità del vento zonale a 60°N e 10 hPa insieme ai tempi degli SSW, dei PWD e dei NWD, rappresentati con triangoli. Inoltre, vengono mostrati i flussi di attività ondulatoria accumulati, registrati dall’analisi ERA5 durante un periodo di 42 anni.

Durante questo arco temporale, sono stati identificati 26 SSW, 26 PWD e 26 NWD. Alcuni eventi specifici, come quelli di gennaio 2019 o febbraio 2018, sono stati classificati sia come SSW che come PWD, definendoli come eventi comuni. Utilizzando una distanza massima di 20 giorni tra SSW e PWD, abbiamo individuato 15 eventi comuni. Questo significa che poco più della metà degli SSW erano accompagnati da un’intensa attività ondulatoria stratosferica inferiore, classificandoli anche come PWD.

Nel modello, abbiamo osservato una situazione simile, con circa la metà degli SSW che sono anche PWD. Questi dati sono consistenti con le scoperte di uno studio di White et al. (2019), che ha rilevato che il 60% degli SSW nel loro modello era preceduto da un’attività ondulatoria estrema a 100 hPa.

Tuttavia, 11 SSW e 11 PWD in ERA5 si sono verificati indipendentemente l’uno dall’altro, suggerendo che esistono differenze sostanziali tra i due tipi di eventi. Per esempio, non tutti gli SSW sono preceduti da un’intensa attività ondulatoria stratosferica inferiore. Studi precedenti hanno mostrato che fattori come la dinamica interna stratosferica possono anche innescare SSW. Inoltre, il contesto stratosferico generale ha un ruolo chiave, influenzando la propagazione delle onde. Questo è stato evidenziato da Cámara et al. (2017), che hanno scoperto che un forte flusso di onde a 100 hPa non è sufficiente per produrre un SSW e che è necessario anche un appropriato stato stratosferico. Queste considerazioni possono applicarsi anche ai PWD.

La Figura 5 presenta un’analisi dettagliata che traccia la velocità del vento zonale a 10 hPa lungo i decenni, da 1979 al 2021, e correla questa informazione con la cronologia degli eventi atmosferici specifici: i Riscaldamenti Stratosferici Improvvisi (SSW), gli eventi di guida ondulatoria positiva (PWD) e quelli di guida ondulatoria negativa (NWD).

Struttura della Figura:

  • Asse Orizzontale (Anni): Questo asse mostra il tempo che passa da un anno all’altro, coprendo un arco di oltre quattro decenni.
  • Linea del Grafico: La linea continua mostra le variazioni della velocità del vento zonale a 60°N e 10 hPa. Queste fluttuazioni evidenziano i cambiamenti stagionali e le anomalie specifiche che possono essere collegate agli eventi atmosferici.
  • Simboli Triangolari:
    • Triangoli neri: Indicano i giorni dell’anno in cui sono avvenuti gli SSW.
    • Triangoli rossi: Indicano i giorni dell’anno in cui sono avvenuti i PWD.
    • Triangoli blu: Indicano i giorni dell’anno in cui sono avvenuti i NWD.
  • Numeri Piccoli vicino ai Triangoli: Questi numeri rappresentano la forza della guida ondulatoria accumulata in giorni prima di ciascun evento, offrendo una misura di quanto intensa fosse l’attività ondulatoria che ha preceduto l’evento.

Osservazioni Chiave:

  • Eventi Comuni: In alcuni casi, gli eventi sono classificati sia come SSW sia come PWD, indicati da triangoli sovrapposti rossi e neri. Questo succede quando gli eventi si verificano entro 20 giorni l’uno dall’altro.
  • Distribuzione Temporale degli Eventi: La figura evidenzia come gli eventi siano distribuiti nel corso degli anni e mostra eventuali pattern o tendenze, come periodi con una maggiore frequenza di eventi o anni particolarmente tranquilli.

In conclusione, la Figura 5 fornisce una rappresentazione visiva completa che lega la dinamica del vento zonale alle manifestazioni degli eventi stratosferici, permettendo di esaminare sia le tendenze di lungo termine sia le specifiche occorrenze annuali di questi fenomeni atmosferici significativi.

Una differenza cruciale tra i Riscaldamenti Stratosferici Improvvisi (SSW) e gli eventi di guida ondulatoria positiva (PWD) può derivare da eventi che si verificano all’inizio o alla fine dell’inverno, quando il vortice polare è naturalmente più debole. In queste circostanze, piccole quantità di guida ondulatoria possono essere sufficienti per innescare un SSW, ma non abbastanza forti da produrre un PWD. Un esempio è l’SSW avvenuto tardi nel marzo del 1988, che coincise con una minima guida ondulatoria negativa. Un altro caso di SSW con guida ondulatoria debole si è verificato nel 2008.

La Figura 5 evidenzia anche esempi di PWD che si sono verificati nel pieno dell’inverno, che non coincidono con SSW, come quelli negli anni ’90 o l’evento di riscaldamento finale di marzo 2016, uno dei PWD più intensi del periodo analizzato da ERA5. Il PWD più forte registrato è stato a febbraio 2009, che coincise anche con un SSW. Studi come quelli di Albers e Birner (2014) suggeriscono che eventi del genere potrebbero essere stati scatenati da un’amplificazione delle onde resa possibile da condizioni particolari nella stratosfera, indipendente da un’intensa attività ondulatoria nella troposfera.

Inoltre, ERA5 ha identificato 26 eventi di guida ondulatoria negativa (NWD), che sono caratterizzati da un vortice polare freddo e robusto causato da una guida ondulatoria negativa prolungata. La Figura 5 mostra che molti NWD si verificano vicino a eventi di vortice debole, il che potrebbe riflettere la natura oscillante della circolazione stratosferica. Tuttavia, ci sono stati anche NWD isolati, come il forte vortice del 2020 descritto da Lawrence et al. (2020). Il NWD più intenso è stato nel 2011, seguito da quello del 1989.

Questa analisi ci aiuta a comprendere meglio la dinamica complessa degli eventi stratosferici e le loro manifestazioni nel corso degli anni, evidenziando come vari fattori contribuiscano a formare differenti tipi di eventi atmosferici significativi.

3.5 Relazioni tra guida ondulatoria, perturbazione del vortice polare e reazione della superficie

Gli eventi del vortice polare sono fondamentali per migliorare la precisione delle previsioni climatiche sub-stagionali dell’emisfero nordico in inverno. Tuttavia, una sfida significativa è rappresentata dal fatto che non tutti questi eventi influenzano la troposfera, come evidenziato in alcuni studi. Questo accade perché lo stato della troposfera durante questi eventi influenza le caratteristiche della risposta superficiale. Un ulteriore livello di complessità emerge quando gli eventi del vortice non sono definiti da una perturbazione diretta del vortice stesso, come nel caso degli SSW, ma dalla guida ondulatoria, come nei PWD. Questo problema è legato alla natura caotica del flusso atmosferico e alla difficoltà di prevedere come il vortice polare reagirà alla precedente attività ondulatoria, o più specificamente, quanto del flusso di attività ondulatoria nella bassa stratosfera convergerà verso il vortice polare.

Per esplorare questa problematica, abbiamo utilizzato i dati di un modello per analizzare le distribuzioni delle risposte agli eventi SSW e PWD in termini di perturbazione del vento del vortice polare e l’anomalia della pressione a livello del mare nella calotta polare nei 59 giorni successivi agli eventi. I risultati, illustrati nella Figura 6, mostrano che durante gli SSW il vortice polare rallenta in media di circa 31 m/s, con variazioni che vanno da circa 4 a 70 m/s. La situazione è simile per i PWD, suggerendo che l’incertezza su come il vortice risponderà alla guida ondulatoria è relativamente limitata. Un’analisi più dettagliata rivela che la decelerazione media del vortice durante i PWD è leggermente inferiore, circa 29 m/s. Inoltre, alcuni PWD presentano una perturbazione positiva del vortice, ma il numero di questi eventi è molto limitato.

In sintesi, la sezione esplora come la guida ondulatoria e le perturbazioni del vortice polare influenzano la risposta superficiale, evidenziando la complessità e le sfide nel prevedere e comprendere pienamente queste dinamiche atmosferiche.

Per motivi pratici, la risposta alla superficie è considerata più rilevante rispetto alla perturbazione del vortice. Nella Figura 6b sono mostrati gli istogrammi della risposta superficiale (slpPC,0−59) per gli stessi eventi di Riscaldamento Stratosferico Improvviso (SSW) e guida ondulatoria positiva (PWD) citati nel pannello sinistro. La risposta varia ampiamente, da -10 hPa a +12 hPa, dimostrando chiaramente quanto possa essere incerta la reazione alla superficie in risposta agli eventi stratosferici. Complessivamente, le distribuzioni per entrambi i tipi di eventi sono molto simili. Come atteso, entrambe mostrano una tendenza verso anomalie positive della pressione a livello del mare, che corrispondono alla fase negativa dell’Oscillazione Nord-Atlantica (NAO). Rispetto agli SSW, i PWD tendono a generare una risposta media leggermente più forte (2,0 hPa rispetto a 1,7 hPa), una minore variazione nelle risposte (3,5 hPa rispetto a 3,6 hPa) e una minore probabilità di ottenere una risposta negativa (29% rispetto al 32%).

Questi risultati indicano che la variabilità nella risposta del vortice polare alla guida ondulatoria non è molto diversa dalla risposta agli SSW, e che questa non influenza significativamente la risposta superficiale. La principale incertezza nella risposta superficiale deriva dalla discesa del segnale stratosferico in presenza di intensa attività meteorologica troposferica, e i PWD e gli SSW si comportano in modo molto simile sotto questo aspetto. Come già osservato precedentemente, si nota che i PWD possono provocare una risposta superficiale leggermente più marcata rispetto agli SSW, in linea con altri studi che hanno identificato l’intensa attività ondulatoria ascendente come un precursore degli SSW che si propagano verso il basso.

3.6 Stagionalità della frequenza degli eventi e della risposta superficiale

Proseguiamo esplorando la Figura 7, che analizza vari aspetti della stagionalità degli eventi atmosferici. Come nelle analisi precedenti, questa non include dati da rianalisi, dato che gli eventi osservati sono troppo limitati in numero. La Figura 7a illustra come i diversi tipi di eventi si distribuiscano nei vari mesi dell’anno. Si nota che, a differenza dei PWD (rappresentati in rosso) e dei NWD (in blu), gli SSW (in nero) mostrano una distribuzione più concentrata, con un picco in febbraio. Questo picco non è completamente allineato con gli SSW osservati che tendono a massimizzarsi in gennaio, ma è importante ricordare che il campione di eventi osservati è troppo piccolo per trarre conclusioni definitive.

La figura include anche tipi aggiuntivi di eventi. Notabilmente, gli SSW esclusivi, che si verificano quando la guida ondulatoria è relativamente debole, sono più frequenti in marzo, un periodo in cui il vortice è debole e piccole quantità di guida ondulatoria possono capovolgerlo. I PWD esclusivi sono divisi in due categorie: eventi in cui il vortice polare attraversa la soglia del vento zero e quelli in cui non la attraversa. Gli eventi della prima categoria sono più comuni in marzo e aprile, suggerendo che molti di questi coincidano con i riscaldamenti finali. Alcuni eventi di aprile di questa categoria sono associati a un completo recupero del vortice, ma non sono classificati come SSW poiché non rientrano nella definizione standard. D’altra parte, gli eventi della seconda categoria, in cui il vortice non subisce inversioni, sono più frequenti in dicembre e gennaio, quando il vortice è forte e richiede una forza considerevole per essere interrotto. Questi eventi sono paragonabili ai riscaldamenti minori di metà inverno tradizionali.

I successivi pannelli della Figura 7 esaminano la forza e la stagionalità della risposta superficiale. Come in precedenza, la risposta è misurata considerando l’anomalia della pressione a livello del mare nella calotta polare nei primi 59 giorni dopo l’evento, identificata come slpPC,0−59. La Figura 7b riprende una questione già sollevata in precedenza: quanti eventi del vortice si propagano verso il basso? In questa parte della figura, ciò è rappresentato dalla percentuale di eventi seguiti dall’anomalia della pressione a livello del mare prevista, ovvero positiva per gli SSW e i PWD, e negativa per i NWD. I numeri vicino alle etichette degli eventi mostrano i risultati medi su tutti i mesi. In generale, il 71% dei PWD è seguito dall’anomalia positiva prevista per slpPC,0−59, con risultati simili osservati per gli SSW e i NWD. Questo esito è vicino a quello scoperto da White et al. (2019) nel loro modello, che indica come circa il 67% degli SSW, preceduti da intensa attività ondulatoria nella bassa troposfera, si propagasse verso il basso, come descritto da Karpechko et al. (2017).

È interessante notare come la risposta prevista agli SSW diminuisca significativamente verso la fine dell’inverno, avvicinandosi al limite critico del 50%. Questi SSW tardivi sono frequenti, come mostrato nella Figura 7a, ma sono associati a risposte superficiali deboli. La ragione probabile è che, dinamicamente, questi eventi non sono molto attivi; il vortice climatologico è debole in questo periodo dell’anno e bastano piccole quantità di attività ondulatoria per innescare il criterio degli SSW. Invece, la maggior parte dei PWD in questo tardo periodo dell’anno mostra la risposta superficiale prevista, dato che sono sempre associati a un’intensa attività del flusso ondulatorio per definizione.

Le Figure 7c e 7d mostrano la risposta media alla superficie, calcolata in termini di anomalia della pressione a livello del mare nella calotta polare nei primi 59 giorni dopo l’evento, in funzione del periodo dell’anno. Come già osservato, la risposta agli SSW varia sensibilmente durante i mesi: raggiunge il picco tra 2 e 3 hPa a metà inverno e diminuisce progressivamente verso la fine dell’inverno. Al contrario, la risposta ai PWD rimane più contenuta, circa 1-2 hPa, durante la maggior parte dei mesi.

Gli SSW esclusivi sono particolarmente significativi perché non rientrano nella definizione dei PWD. Questi eventi, più frequenti nei mesi di febbraio e marzo, generano risposte notevoli all’inizio e a metà inverno, come mostrato dalla Figura 7d, sebbene non siano molto comuni, come indicato dalla Figura 7a. Tuttavia, quando si verificano in questo periodo, la loro risposta superficiale tende ad essere debole.

I PWD esclusivi, d’altra parte, mostrano due distinti picchi di frequenza: il primo per gli eventi U+ a metà inverno e il secondo per gli eventi U- verso la fine dell’inverno, entrambi associati a risposte superficiali significative.

Complessivamente, questo suggerisce che i PWD che non sono classificati come SSW hanno un impatto maggiore sulla superficie rispetto agli SSW che non rientrano nella definizione di PWD. La Figura 7e approfondisce ulteriormente mostrando le risposte ponderate per frequenza della pressione a livello del mare agli eventi EX-PWD e EX-SSW. L’area sotto ogni curva rappresenta l’importanza complessiva di questi eventi. È interessante notare che solo in febbraio gli eventi EX-SSW risultano essere più rilevanti rispetto agli EX-PWD, principalmente a causa della loro maggiore frequenza in questo periodo.

La Figura 6 presenta due istogrammi che confrontano le risposte degli eventi di Riscaldamento Stratosferico Improvviso (SSW) e degli eventi di Guida Ondulatoria Positiva (PWD) in termini di impatti nella stratosfera e nella troposfera:

  1. Panello (a) – Variazione del Vento Zonale:
    • Qui è rappresentata la distribuzione delle variazioni minime anomale della velocità del vento zonale a 10 hPa (u1060), indicate come “dumin”.
    • Gli eventi SSW sono visualizzati in nero, mentre i PWD in rosso. L’istogramma mostra la frequenza di eventi per ogni intervallo di velocità del vento.
    • Le linee verticali sottili segnano le mediane delle distribuzioni, offrendo un riferimento per il valore centrale delle risposte degli eventi.
  2. Panello (b) – Pressione Media nella Calotta Polare:
    • Questo grafico mostra come cambia la pressione media a livello del mare nella calotta polare nei primi 59 giorni successivi agli eventi, indicata con “slpPC,0−59”.
    • Anche in questo caso, le risposte degli SSW sono in nero e quelle dei PWD in rosso, con l’asse verticale che indica il numero di eventi per ciascun intervallo di pressione.
    • Le mediane, rappresentate dalle linee verticali sottili, aiutano a identificare il valore centrale della pressione seguito a questi eventi.

Informazioni Aggiuntive:

  • La soglia di guida ondulatoria per definire i PWD, PF_0Zcrit, è fissata a 12.9 giorni.
  • L’analisi si basa su un ampio set di dati che include 5224 eventi SSW e 5154 eventi PWD, permettendo un confronto robusto tra i due tipi di eventi.

In sintesi, la Figura 6 utilizza queste due visualizzazioni per esplorare come gli SSW e i PWD influenzano diversamente la dinamica atmosferica, sia nella stratosfera che nella troposfera, mettendo in luce le caratteristiche uniche di ciascun tipo di evento.

Figura 7: Stagionalità della frequenza degli eventi e delle risposte superficiali

Questa figura presenta una serie di grafici che mostrano come vari tipi di eventi stratosferici, tra cui SSW, PWD e NWD, si distribuiscono e rispondono durante i mesi invernali da novembre ad aprile.

  1. Frequenza degli Eventi (a):
    • Questo grafico mostra la percentuale degli eventi per mese. Gli SSW sono rappresentati in nero e raggiungono il loro picco verso la fine di febbraio. I PWD sono in rosso. Le linee tratteggiate e punteggiate rappresentano variazioni specifiche all’interno degli eventi PWD, come gli eventi U+ e U−, che indicano differenti tipi di riscaldamento.
  2. Risposta Canonica della Pressione (b):
    • Qui vediamo la percentuale di casi in cui la variazione di pressione segue l’aspettativa: positiva per SSW e PWD e negativa per NWD. Ogni tipo di evento mostra una consistenza nell’impattare la pressione superficiale in modo prevedibile.
  3. Anomalie della Pressione Superficiale (c-d):
    • I grafici mostrano l’anomalia media della pressione nella calotta polare nei primi 59 giorni post-evento. Le ombreggiature indicano gli intervalli di confidenza al 95%. Il pannello (d) dettaglia ulteriormente la risposta distinguendo tra i diversi tipi di PWD (U+ e U−).
  4. Frequenza Moltiplicata per la Risposta della Pressione (e):
    • Questo grafico combina la frequenza degli eventi con l’impatto medio sulla pressione, fornendo una visione complessiva dell’effetto cumulativo degli eventi sul clima superficiale. Le linee diverse rappresentano combinazioni di eventi PWD (sia U+ che U−) e SSW.

Implicazioni:

  • La Figura 7 illustra chiaramente come la stagionalità e il tipo di evento stratosferico influenzano diversamente la pressione atmosferica al suolo, dimostrando il legame diretto tra eventi stratosferici e cambiamenti meteorologici osservabili. Questa analisi approfondita aiuta a comprendere meglio l’efficacia con cui ciascun tipo di evento predice le variazioni climatiche, fornendo un quadro utile per ulteriori ricerche e previsioni meteorologiche stagionali.

3.7 Modelli di risposta della pressione superficiale

Concludiamo il nostro studio esaminando la risposta superficiale in seguito a vari eventi stratosferici, analizzando in particolare i pattern di pressione superficiale (SLP) mostrati nella Figura 8. È importante notare che questa figura, a differenza della Figura 4, mostra i risultati relativi a tutti gli anni e non solo agli anni neutrali per l’ENSO. Come ci aspettavamo, sia i PWD che gli SSW sono associati a una fase negativa dell’Oscillazione Nord Atlantica (NAO), caratterizzata da una pressione più alta sulla calotta polare e più bassa sul settore nord-atlantico europeo. Inoltre, i PWD sono correlati a anomalie negative nella parte nord del Pacifico, probabilmente a causa dell’influenza delle teleconnessioni dall’Oscillazione El Niño-Southern Oscillation (ENSO) sul Minimo delle Aleutine. Questa condizione intensifica l’attività dell’onda planetaria numero 1, fornisce parte della forza ondulatoria necessaria per i PWD e generalmente aumenta la probabilità di tali eventi.

La risposta SLP agli NWD è in linea di massima opposta rispetto ai PWD, tranne che per il fatto che le anomalie della SLP nel Pacifico nord per gli NWD sono più marcate (ad esempio, +3 hPa rispetto a -2 hPa). È possibile che l’ENSO influenzi gli NWD in maniera più significativa rispetto ai PWD. Questa interpretazione è supportata dall’indice Niño 3.4, che mostra -0.80 K durante gli NWD e +0.63 K durante i PWD. In contrasto, l’indice durante gli SSW è solo +0.05 K, indicando che nel nostro modello l’ENSO influisce poco sugli SSW. In un prossimo studio, ci proponiamo di analizzare più approfonditamente il ruolo dell’ENSO nell’influenzare gli eventi del vortice polare e la loro risposta superficiale.

In questo contesto, ci concentriamo principalmente sulle differenze tra i Riscaldamenti Stratosferici Improvvisi (SSW) e gli eventi di guida ondulatoria positiva (PWD), prestando particolare attenzione agli eventi esclusivi: gli SSW esclusivi (EX-SSW) e i PWD esclusivi (EX-PWD). La Figura 8 mostra dettagliatamente gli EX-PWD per gli eventi U+ e U−. Nel modello, circa la metà di tutti gli SSW e la metà di tutti i PWD sono considerati eventi esclusivi. Come menzionato precedentemente, gli EX-SSW sono caratterizzati da una risposta della pressione a livello del mare (SLP) piuttosto modesta, inferiore rispetto a quella degli eventi U+ o U−. Gli eventi U+ sono associati a specifiche anomalie negative della SLP sopra il Pacifico settentrionale, probabilmente a causa di una forte influenza dell’ENSO su questi eventi. Gli eventi U−, sebbene non molto frequenti, generano significative anomalie positive della SLP sulla calotta polare. Questi eventi U− tendono a verificarsi in media il 20 marzo, molto prima della data media di riscaldamento finale (FW) del 10 aprile prevista dal modello. Di conseguenza, gli eventi U− possono essere interpretati come FW “dinamici” precoci ma significativi, che si manifestano in un periodo in cui il vortice climatologico richiede ancora una forza ondulatoria considerevole per essere spezzato. Questi FW dovrebbero essere distinti dai FW “radiativi”, che sono semplicemente il risultato dell’aumento stagionale del riscaldamento radiativo sopra il polo. Inoltre, gli eventi U− sono preceduti da un vortice insolitamente forte 1-2 mesi prima del loro inizio, una circostanza in linea con quanto riportato da Hu et al. (2014), secondo cui gli inverni con un vortice polare forte sono spesso seguiti da FW precoci. La Figura 8 mostra anche i pattern di SLP per gli SSW e i PWD tratti da ERA5, che sono generalmente simili ma più disturbati rispetto a quelli del modello. Le Figure A1 e A2 offrono ulteriori mappe come la Figura 8, ma specificamente per la temperatura a 2 metri e la precipitazione, rispettivamente.

4. Riassunto e conclusione

I risultati di questo studio mettono in discussione la convinzione comunemente accettata che l’inversione del vortice polare, tipica degli eventi di riscaldamento stratosferico improvviso (SSW), sia l’elemento fisico fondamentale per la trasmissione dei segnali stratosferici alla superficie terrestre. Basandoci sui lavori precedenti di Polvani e Waugh (2004) e sfruttando una simulazione di controllo prolungata con un modello climatico che risolve dettagliatamente la stratosfera, abbiamo mostrato che il flusso di attività ondulatoria diretto verso l’alto nella bassa stratosfera rappresenta un indicatore più affidabile delle perturbazioni significative del vortice polare rispetto agli SSW. Per fare ciò, abbiamo definito gli eventi di guida ondulatoria positiva (PWD), che presentano la stessa frequenza di occorrenza degli SSW. Una parte sostanziale dello studio è stata quindi dedicata all’esplorazione delle somiglianze e delle differenze tra i PWD e gli SSW. Abbiamo scoperto che circa la metà dei PWD si verifica contemporaneamente agli SSW e, proprio come gli SSW, sono seguiti da rapide decelerazioni del vortice polare e da persistenti anomalie negative dell’indice dell’Oscillazione Nord Atlantica alla superficie.

**Tuttavia, metà dei PWD non coincideva con SSW significativi, evidenziando le notevoli differenze tra PWD e SSW. La nostra definizione di PWD, ad esempio, comprende i riscaldamenti finali dinamici e gli eventi simili agli SSW in aprile, rendendo i PWD distribuiti più uniformemente durante l’inverno rispetto agli SSW. Si è inoltre osservato che i PWD sono più sensibili alle influenze dell’ENSO rispetto agli SSW. Un aspetto particolarmente rilevante è che i PWD tendono a generare risposte superficiali più intense rispetto agli SSW, per due motivi principali. In primo luogo, la definizione di PWD esclude molti degli SSW deboli di fine inverno, associati a flussi di attività ondulatoria relativamente modesti e a deboli risposte superficiali. In secondo luogo, la definizione di PWD include eventi del vortice polare a metà inverno che, pur non soddisfacendo la definizione di SSW, sono associati a intensi flussi di attività ondulatoria e a robusti segnali superficiali. Apparentemente, l’inversione del vortice polare è meno determinante nella creazione di segnali propagati verso il basso rispetto alla forza del flusso di attività ondulatoria e alla perturbazione relativa del vortice polare. Questa interpretazione concorda con studi precedenti, che hanno dimostrato come intensi flussi di attività ondulatoria verso l’alto siano un affidabile indicatore di una risposta che si propaga verso il basso degli SSW (Karpechko et al., 2017; White et al., 2019).

Oltre a essere un indicatore prezioso per il collegamento stratosfera-troposfera e per identificare eventi con un forte impatto superficiale, la definizione di PWD offre ulteriori vantaggi. Ad esempio, i PWD:

  • catturano con un solo criterio una varietà di tipi di eventi, inclusi importanti riscaldamenti, riscaldamenti minori, riscaldamenti finali e eventi di vortice forte;
  • individuano SSW intensi e anche riscaldamenti finali dinamici, ma evitano eventi deboli con scarso impatto superficiale;
  • possono estendere l’orizzonte di previsione degli eventi del vortice polare, poiché il flusso di attività ondulatoria precede l’inizio degli eventi.