Attraverso l’uso della vorticità potenziale per definire la forza e la posizione del vortice polare stratosferico dell’Emisfero Settentrionale, questo studio esplora l’influenza dell’Oscillazione Quasi-Biennale (OQB) sul vortice polare durante i mesi invernali. I risultati evidenziano che l’indebolimento o il rafforzamento del vortice polare NH nella stratosfera inferiore, durante le fasi orientali o occidentali dell’OQB, risulta particolarmente marcato nei mesi di gennaio e febbraio, rispetto a novembre e dicembre. Inoltre, si osserva che il vortice polare tende a spostarsi verso il continente eurasiatico e a allontanarsi dal Nord America in inverno durante le fasi orientali dell’OQB, con uno spostamento ancora più accentuato nei mesi di gennaio e febbraio.
L’effetto meno pronunciato dell’OQB sulla velocità del vento zonale media e sulla temperatura a febbraio, riscontrato in precedenti studi, può essere attribuito agli effetti di compensazione generati dalle anomalie di segno opposto presenti sull’Eurasia e sul Nord America, dovute allo spostamento del vortice polare legato all’OQB. Durante le fasi orientali dell’OQB, le anomalie di vento orientale nella stratosfera superiore all’inizio dell’inverno incrementano la frequenza di indici di rifrazione negativi alle latitudini medie e alte verso la fine dell’inverno. Questo comporta una minore propagazione verso l’alto delle onde planetarie 1 nella stratosfera superiore e un maggiore accumulo delle stesse nella stratosfera inferiore, culminando nell’indebolimento e nello spostamento del vortice polare alla fine dell’inverno.
Ulteriormente, lo spostamento verso il polo del getto subtropicale durante le fasi orientali dell’OQB favorisce una maggiore propagazione polare delle onde sinottiche nella stratosfera inferiore, portando a un incremento degli eventi di rottura delle onde di Rossby sull’Eurasia alla fine dell’inverno, rispetto alle fasi occidentali. Questo fenomeno contribuisce ulteriormente all’indebolimento e allo spostamento del vortice polare durante le fasi orientali dell’OQB.
Introduzione
Il vortice polare stratosferico artico, un fenomeno atmosferico collocato tra i 10 e i 50 km di altezza, si manifesta come un vigoroso flusso circolare occidentale alle medie e alte latitudini. Recentemente, ricerche hanno evidenziato un progressivo indebolimento e uno spostamento di questo vortice verso il continente eurasiatico negli ultimi tre decenni, un fenomeno strettamente collegato ad un incremento degli episodi di freddo alle latitudini settentrionali medie. Queste osservazioni sollevano interrogativi riguardanti i cambiamenti climatici a lungo termine e l’importanza di monitorare la variabilità interannuale del vortice per affinare le previsioni stagionali della troposfera dell’Emisfero Settentrionale durante il passaggio dall’inverno alla primavera.
All’interno dei fattori che contribuiscono alla variabilità annuale del vortice polare, l’oscillazione quasi-biennale (QBO) emerge come un elemento di significativa influenza sull’Artico e sul vortice polare stesso. Studi basati su osservazioni hanno rivelato che il vortice polare dell’Emisfero Settentrionale si presenta più debole durante la fase orientale della QBO rispetto a quella occidentale nei mesi iniziali dell’inverno, un effetto noto come effetto Holton–Tan. Questo fenomeno è stato confermato attraverso diverse analisi e modellazioni, suggerendo un meccanismo di interazione tra la dinamica della QBO e la propagazione delle onde planetarie nella stratosfera.
Specificamente, si ipotizza che lo spostamento della linea critica del vento subtropicale, correlato alla fase della QBO, possa restringere il passaggio delle onde extratropicali, favorendo così una maggiore propagazione verticale delle onde planetarie confinate alle alte latitudini. Questo processo porta a un vortice polare più instabile e indebolito durante la fase orientale della QBO, con effetti pressoché inversi osservati durante la fase occidentale. Questa dinamica sottolinea l’importanza della QBO come fattore chiave nella comprensione delle variazioni climatiche stagionali e nella previsione dei cambiamenti meteorologici nell’Emisfero Settentrionale.
Recenti studi di Gray e collaboratori hanno evidenziato come il vento polare e la temperatura siano influenzati dai cambiamenti dei venti nella stratosfera superiore tropicale e subtropicale. Queste osservazioni suggeriscono una stretta correlazione tra le onde planetarie e la modulazione della linea critica del vento stratosferico superiore operata dalla QBO. Tuttavia, emerge una discrepanza: la differenza nel flusso di Eliassen-Palm (EP) nella stratosfera inferiore a medie latitudini, tra le fasi EQBO e WQBO, si orienta verso l’equatore, contraddicendo così l’ipotesi convenzionale di Holton-Tan.
Nonostante un’accentuata componente ascendente del flusso EP e una maggiore convergenza dello stesso durante la fase EQBO rispetto a WQBO, diversi studi suggeriscono che l’effetto Holton-Tan (HT) non derivi esclusivamente dalla variazione nella posizione della linea del vento critico. Viene riconosciuto un ulteriore meccanismo: la circolazione meridionale secondaria, indotta dalla QBO, che modifica l’indice di rifrazione nella stratosfera media e superiore, influenzando così la propagazione o l’interruzione delle onde planetarie. Questa dinamica si è rivelata essere un fattore cruciale nell’effetto HT, forse persino più della linea del vento critico stesso.
Entrambi i meccanismi di spiegazione dell’effetto HT puntano sull’interazione tra le onde e il flusso medio, permettendo alla QBO di modulare la propagazione e l’interruzione delle onde planetarie nell’alta stratosfera. Questo processo viene analizzato attraverso il quadro medio Euleriano trasformato, ma esiste un’alternativa: l’uso della vorticità potenziale (PV) in un contesto Lagrangiano. In condizioni di assenza di riscaldamento diabatico e attrito, la PV si conserva e viene trasportata lungo superfici isentropiche, offrendo così un metodo più accurato per studiare il comportamento del vortice polare. Questi approcci forniscono strumenti preziosi per comprendere le complesse dinamiche che regolano il sistema climatico terrestre, in particolare nel contesto del cambiamento climatico e delle sue implicazioni meteorologiche.
Il metodo proposto da Nash et al. nel 1996, che definisce il bordo del vortice polare in termini di gradiente di vorticità potenziale (PV), è diventato uno strumento diffuso per individuare la posizione del vortice polare. Attraverso questo approccio, studi condotti da Zhang et al. nel 2016 e nel 2018 hanno rivelato che, a partire dal 1980, il vortice polare tende a spostarsi verso il continente eurasiatico durante la fase finale dell’inverno. Tuttavia, il ruolo giocato dalla variabilità interna naturale in questo spostamento rimane una questione aperta, come sottolineato da Seviour nel 2017. Questo solleva interrogativi sull’eventuale impatto significativo che la QBO potrebbe avere sulla posizione del vortice polare, oltre alla sua già nota influenza sulla forza del vortice stesso.
La discussione si estende anche all’evoluzione stagionale della risposta del vortice polare dell’Emisfero Nord (NH) agli effetti della QBO. Holton e Tan, nel 1982, e Hu e Tung, nel 2002, hanno messo in dubbio la rilevanza dell’effetto HT durante la tarda stagione invernale (gennaio-febbraio), a differenza della sua significativa presenza all’inizio dell’inverno (novembre-dicembre). Questa differenza potrebbe essere attribuita a una minore propagazione verso l’alto delle onde planetarie transitorie nella tarda stagione, dovuta alla preesistente condizione di indebolimento del vortice sotto le fasi EQBO, come illustrato da White et al. nel 2016. D’altra parte, studi basati su modelli che simulanola QBO su uno strato profondo fino a 60 km, come quelli di Gray et al. nel 2001 e di Pascoe et al. nel 2006, hanno evidenziato l’esistenza dell’effetto HT anche a fine inverno. Inoltre, Garfinkel et al., nel 2012, hanno osservato una marcata influenza della QBO sul vortice polare nei mesi di gennaio e febbraio, nonostante l’effetto HT più pronunciato si registri all’inizio dell’inverno.
Anstey e Shepherd nel 2008 e Anstey et al. nel 2010 hanno identificato un significativo segnale della QBO nelle osservazioni di fine inverno, proponendo un’ipotesi di “interferenza” per cui il vortice polare NH è meno influenzato dalla QBO a fine inverno quando questa esercita una forte influenza all’inizio dell’inverno, e viceversa nei casi di debole influenza QBO iniziale. In aggiunta, White et al. nel 2016 hanno rilevato anomalie significative del gradiente di PV meridionale negativo, associate a un vortice polare indebolito nella stratosfera inferiore durante le fasi EQBO a fine inverno, legate alla discesa dell’effetto HT nel corso dell’inverno. Ciò nonostante, le origini della variabilità stagionale dell’effetto HT continuano a essere un enigma, come indicato da Garfinkel et al. nel 2012.
Questo studio si propone di approfondire l’influenza esercitata dalla QBO sul vortice polare dell’Emisfero Nord, adottando come parametri di riferimento la forza e la posizione del vortice, definite attraverso la vorticità potenziale (PV). In un’ottica innovativa rispetto ai tradizionali approcci basati sull’analisi delle medie stagionali, ci focalizzeremo sulla stagionalità dell’impatto della QBO sul vortice polare NH, esplorando tale dinamica in coordinate isentropiche. Questo permetterà di effettuare un confronto dettagliato tra gli effetti HT sulla forza e sulla posizione del vortice polare nelle fasi iniziali e finali dell’inverno. La metodologia di studio, insieme alla descrizione dei dati utilizzati, è illustrata nella sezione 2. Successivamente, nella sezione 3, viene analizzata l’influenza della QBO sulla forza e posizione del vortice polare NH. La sezione 4 è dedicata alla discussione dei meccanismi potenzialmente responsabili di tale influenza, mentre la sezione 5 conclude il lavoro con un riassunto delle principali scoperte e le relative conclusioni.
Dati, Metodi e Modello
Nel contesto del nostro studio, abbiamo attingito ai dati giornalieri e alle medie mensili relative al vento zonale, al vento meridionale, alla temperatura e alla vorticità potenziale (PV) dal dataset ERA-Interim dell’European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF). Questo dataset si caratterizza per una risoluzione orizzontale di 1,5° di latitudine per 1,5° di longitudine, come riportato da Dee et al. nel 2011. La nostra analisi si concentra sugli anni dal 1979 al 2015, un intervallo scelto in seguito all’interruzione inaspettata della QBO nel febbraio 2016, documentata da Osprey et al. nel 2016, per garantire che i risultati ottenuti siano il più generalizzabili possibile. Il set di dati di ERA-Interim fornisce 17 livelli isentropici e 37 livelli di pressione per le analisi.
Per quanto riguarda la definizione della QBO, ci siamo allineati ai criteri stabiliti in studi precedenti, come quelli di Holton & Tan (1980) e Son et al. (2017), identificando la QBO attraverso la media del vento zonale a 50 hPa tra i 10°S e i 10°N. Abbiamo stabilito che le fasi EQBO e WQBO sono determinate rispettivamente da una media di dicembre-gennaio-febbraio dell’indice QBO normalizzato inferiore a -0,5 e superiore a +0,5. Va notato che una leggera variazione nei risultati si verifica se l’indice QBO viene definito attraverso lo shear del vento tropicale tra 50 e 70 hPa. Nel nostro studio, la differenza composita per ciascun campo analizzato viene calcolata confrontando i dati raccolti durante le fasi EQBO e WQBO. Per valutare la significatività statistica delle differenze osservate tra i due gruppi di dati, abbiamo fatto ricorso alla statistica T di Student, mentre il test di Kolmogorov-Smirnov è stato utilizzato per esaminare la significatività delle differenze tra le distribuzioni di frequenza dei due campioni.
Nella nostra analisi, abbiamo definito il bordo del vortice polare identificando il punto di maggiore gradiente di vorticità potenziale (PV), con l’aggiunta di un criterio che prevede la vicinanza a un intenso getto di venti occidentali, seguendo la metodologia proposta da Nash et al. nel 1996. Questo bordo non viene determinato nei mesi in cui il vortice polare si disgrega o quando la sua forma non è chiaramente definita, situazione che si verifica generalmente quando un evento di riscaldamento stratosferico improvviso maggiore dura oltre 15 giorni, come osservato ad esempio nel gennaio 2013 e nei febbrai degli anni 1987, 2006, 2009 e 2013, come riportato da Zhang et al. nel 2016. Tutti gli altri eventi di riscaldamento stratosferico improvviso legati alla QBO sono considerati nell’analisi complessiva.
La forza del vortice polare è stata calcolata come la media ponderata per area del PV all’interno del bordo del vortice, adottando una prospettiva lagrangiana. Abbiamo inoltre definito l’area frazionaria del vortice come la percentuale dell’area emisferica occupata dal vortice polare rispetto all’area totale dello stesso. Una maggiore presenza del vortice polare in una determinata regione è indicata da una frequenza elevata di vaste aree frazionarie. Per questo calcolo, abbiamo utilizzato dati medi giornalieri.
Ulteriormente, il centro del vortice polare è stato individuato attraverso una media ponderata del PV, che ha preso in considerazione la latitudine e la longitudine di ciascun punto all’interno del perimetro del vortice. Questa metodologia ci ha permesso di determinare con precisione le coordinate del centro del vortice polare, contribuendo a una migliore comprensione della sua struttura e dinamica.
L’EP flux, noto anche come Flusso di Eliassen-Palm, e il flusso di attività d’onda di Plumb rappresentano metodologie fondamentali nello studio della propagazione delle onde atmosferiche. Questi strumenti permettono di esaminare il trasferimento di energia e quantità di moto nell’atmosfera, offrendo una comprensione dettagliata dei processi dinamici che regolano il nostro clima e le condizioni meteorologiche.
Il Flusso di Eliassen-Palm si concentra sulla propagazione delle onde in due dimensioni, lungo la latitudine e l’altitudine, incorporando variabili quali la densità dell’aria, la velocità dei venti zonali e meridionali, e la temperatura potenziale, che insieme riflettono l’interazione tra le onde e la rotazione terrestre. Analizzando le componenti verticali e meridionali di questo flusso, e soprattutto come queste divergono, possiamo dedurre il movimento delle onde e il loro impatto sull’ambiente.
D’altra parte, il flusso di attività d’onda di Plumb amplia l’analisi alla dimensione longitudinale, offrendo una visione tridimensionale della propagazione delle onde. Attraverso lo studio della pressione, della longitudine e della funzione di corrente, si calcola il movimento ondoso in tutte le direzioni, osservando come questo si modifichi attraverso diverse regioni atmosferiche. Questo metodo svela le complessità della dinamica ondosa, inclusi i cambiamenti di direzione e intensità.
Un concetto chiave in questo contesto è l’indice di rifrazione delle onde, il quale indica la facilità con cui un’onda può viaggiare attraverso l’atmosfera. Fattori come la velocità media del vento e la stabilità atmosferica influenzano questo indice, determinando se un’onda sarà facilitata o ostacolata nel suo percorso.
La comprensione profonda offerta da queste analisi è vitale per la meteorologia e lo studio del cambiamento climatico. Attraverso l’EP flux e il flusso di attività d’onda di Plumb, gli scienziati possono decifrare la complessa rete di interazioni atmosferiche, portando a previsioni meteorologiche più accurate e a una migliore comprensione delle dinamiche climatiche globali.
Questo studio adotta una serie di approcci diagnostici avanzati per esplorare la propagazione delle onde atmosferiche, analizzando dati mediati su base giornaliera e successivamente aggregati in medie mensili. Tra gli strumenti impiegati figurano il flusso di Eliassen-Palm e il flusso di attività d’onda di Plumb, unitamente all’indice di rifrazione. Quest’ultimo riveste un ruolo chiave nel determinare le regioni atmosferiche attraverso le quali le onde planetarie possono propagarsi con maggiore facilità, individuando aree dove il valore positivo dell’indice di rifrazione al quadrato segnala condizioni favorevoli, mentre valori negativi indicano zone da evitare. La presenza simultanea di valori positivi e negativi dell’indice complica tuttavia l’interpretazione, problema evidenziato da precedenti studi e affrontato qui attraverso un metodo introdotto da Li et al. (2007), che prevede l’analisi della frequenza di indici di rifrazione al quadrato negativi.
Per valutare l’influenza dell’Oscillazione Quasi-Biennale (QBO) sulla forza e posizione del vortice polare, lo studio si avvale di dati di rianalisi e dell’utilizzo del modello Whole Atmosphere Community Climate Model versione 4 (WACCM4). Quest’ultimo, parte integrante del Community Earth System Model (CESM) sviluppato dal National Center for Atmospheric Research, si caratterizza per una struttura che comprende 66 livelli verticali, estendendosi fino a una quota di circa 145 km. Nonostante WACCM4 non preveda una chimica interattiva, esso è configurato per simulazioni ad alta risoluzione, utilizzando valori fissi per i gas serra derivati da uno scenario di emissione e medie climatologiche dell’ozono fino al 2015.
Un aspetto peculiare di WACCM4 è l’incapacità di generare autonomamente la QBO, un fenomeno atmosferico di rilievo. Per superare questo limite, lo studio incorpora manualmente i segnali di fase della QBO attraverso un ciclo prestabilito di 28 mesi, applicati come forzante esterno al vento zonale. Questa metodologia consente di indagare l’effetto della QBO sulla dinamica dell’alta atmosfera, con un focus particolare sul vortice polare. La comprensione di tale interazione è fondamentale per approfondire la nostra conoscenza dei processi atmosferici e dei loro effetti sul clima globale.
La Figura 1 mostra un insieme di mappe progettate per illustrare come l’Oscillazione Quasi-Biennale (QBO) influenzi la vorticità potenziale (PV) nell’atmosfera da novembre a febbraio. Questa sequenza di immagini utilizza i colori per evidenziare le differenze di PV tra le fasi est e ovest della QBO, basate su dati medi mensili forniti da ERA-Interim. Il PV è una misura cruciale che lega la rotazione dell’aria e il suo tipo a un dato volume atmosferico. In queste mappe, il PV è espresso in PVU, un’unità che quantifica la vorticità potenziale in uno strato atmosferico specifico che va da un potenziale termico di 430 a 600 K, corrispondente ad un’altitudine che va dall’alta troposfera alla bassa stratosfera.
Ogni pannello, contrassegnato da (a) a (d), corrisponde a uno specifico mese in sequenza, partendo da novembre fino a febbraio. Le mappe sono centrate sul Polo Nord e si differenziano dalle mappe geografiche standard per la disposizione inversa dei lati est e ovest. Le variazioni di colore indicano le discrepanze nel PV tra le due fasi del QBO:
- Le aree blu segnalano una maggiore vorticità potenziale durante la fase est della QBO rispetto a quella ovest.
- Le aree rosse, al contrario, mostrano una vorticità potenziale inferiore durante la fase est rispetto a quella ovest.
Le linee e i punti colorati delineano i confini e i centri medi del vortice polare durante le fasi est e ovest del QBO:
- I segni rossi identificano i confini e i centri durante la fase est del QBO.
- I segni verdi rappresentano i confini e i centri durante la fase ovest del QBO.
Le zone contrassegnate da punti indicano dove le differenze sono statisticamente significative con un livello di confidenza del 95%, suggerendo che queste differenze sono affidabili e non dovute al caso.
Queste mappe ci forniscono una visione chiara di come il vortice polare si modifica in posizione e intensità durante le diverse fasi della QBO. Tali variazioni sono di grande rilievo poiché hanno il potenziale di influenzare significativamente i pattern meteorologici e climatici nelle alte latitudini, contribuendo a una comprensione più approfondita della dinamica climatica a livello globale.
Impatto della QBO sulla Forza e Posizione del Vortice Polare
L’analisi presentata nella Figura 1 getta luce sull’effetto dell’Oscillazione Quasi-Biennale (QBO) sulla forza e posizione del vortice polare. Attraverso l’osservazione delle differenze di vorticità potenziale (PV) in uno specifico strato dell’atmosfera, si evidenzia come, in accordo con la teoria di Holton e Tan, il vortice polare risulti meno intenso durante le fasi orientali (EQBO) rispetto a quelle occidentali (WQBO). Questo fenomeno si manifesta con un PV più basso nell’Artico durante tutto l’inverno, benché in novembre le variazioni siano meno marcate.
Dall’analisi emerge inoltre un dettaglio interessante: da dicembre a febbraio si registrano anomalie positive di PV sul continente eurasiatico durante le fasi EQBO, con un’incidenza maggiore sull’Asia rispetto all’Europa. Questi dati suggeriscono uno spostamento del vortice polare più accentuato verso l’Eurasia piuttosto che verso il Nord America durante le fasi EQBO, rappresentato dalla linea di contorno rossa, in contrasto con la linea verde delle fasi WQBO.
È particolarmente notevole che lo spostamento del vortice polare sia più evidente a febbraio rispetto agli altri mesi invernali. Studi precedenti hanno rilevato che da 1980 a oggi, gli spostamenti più sostanziali del vortice polare verso l’Eurasia avvengono proprio in questo periodo dell’anno, suggerendo una maggiore suscettibilità del vortice di fine inverno a subire perturbazioni rispetto a quello di inizio stagione.
Un’ulteriore osservazione indica che nella stratosfera superiore, il vortice polare non mostra uno spostamento altrettanto marcato come quello riscontrato nella stratosfera inferiore in relazione alla QBO, un aspetto che non viene illustrato nella figura. Lo studio approfondirà in seguito lo spostamento del vortice polare e come la sua reazione alla QBO varii con il cambiare delle stagioni.
La Figura 2 mette in evidenza le variazioni nella frequenza della forza del vortice polare nei mesi invernali, differenziando le fasi orientali (EQBO) e occidentali (WQBO) dell’Oscillazione Quasi-Biennale. Ciò che risalta è che durante i mesi di gennaio e febbraio, la frequenza con cui si verificano forti vortici polari, rappresentati da valori di vorticità potenziale (PV) superiori agli 80 PVU, è minore nella fase EQBO rispetto alla WQBO. Al contrario, i vortici più deboli, indicati da valori di PV più bassi, sono più frequenti nella fase EQBO, come evidenziato nelle Figure 2e e 2g. Questo aspetto diventa ancor più marcato nelle Figure 2f e 2h, dove sono illustrate le differenze di frequenza nella forza dei vortici tra le due fasi della QBO per i mesi di gennaio e febbraio.
Tale tendenza, tuttavia, non è osservabile nei mesi di novembre e dicembre, periodo in cui le differenze di forza del vortice sono meno pronunciate rispetto alla fine dell’inverno, come mostrato nei pannelli di destra della Figura 2. Interessante notare che il test di Kolmogorov-Smirnov conferma la significatività statistica delle differenze osservate nei mesi di gennaio e febbraio, con un livello di confidenza del 0,01, mentre le differenze nei mesi di novembre e dicembre non risultano statisticamente significative.
Questi risultati sembrano contrastare con quelli di studi precedenti, che indicavano differenze più accentuate nei venti zonali e nella temperatura della regione polare settentrionale all’inizio dell’inverno tra le due fasi della QBO, e una minore evidenza dell’effetto HT verso la fine dell’inverno. In realtà, l’analisi composita rivela che l’indebolimento dei venti zonali occidentali è più marcato durante la fase EQBO nei mesi di dicembre e gennaio e perde di significatività in febbraio, risultato che si allinea alle conclusioni di ricerche antecedenti come quelle di Lu e colleghi nel 2008. Questa discrepanza negli sviluppi stagionali rispetto a studi precedenti potrebbe essere attribuita a un effetto di compensazione tra le anomalie di PV positive e negative riscontrate sul continente eurasiatico e in Nord America, associate allo spostamento del vortice polare evidenziato nella Figura 1d, che attenua l’impatto della QBO sul vento zonale medio e sulla temperatura nel mese di febbraio.
La Figura 2 fornisce un’analisi dettagliata della frequenza con cui si presentano determinate intensità del vortice polare nell’Emisfero Nord nei mesi invernali, differenziandole in base alle fasi dell’Oscillazione Quasi-Biennale (QBO): le fasi orientali, o EQBO, e quelle occidentali, o WQBO.
I grafici a sinistra (a, c, e, g) ci mostrano con quale frequenza specifiche intensità del vortice polare, espresse in PVU, si verificano durante le due fasi della QBO. Il colore rosso è associato alla fase EQBO, mentre il verde alla WQBO. L’asse orizzontale quantifica la forza del vortice: valori maggiori indicano un vortice più forte.
Nelle immagini a destra (b, d, f, h), viene visualizzata la differenza nella frequenza delle intensità del vortice tra le due fasi della QBO. Le barre blu rappresentano i casi in cui un certo valore di PVU è più frequente durante la fase EQBO, e le barre rosse quelli in cui è più frequente durante la fase WQBO.
Esaminando i dati possiamo notare:
- In novembre (a e b), la differenza tra le frequenze nelle due fasi della QBO è minima, suggerita da un valore p non significativo, segnalando che le variazioni tra le due fasi non sono statisticamente rilevanti.
- Anche in dicembre (c e d) si osserva una situazione simile, con un valore p che rimane alto, indicando l’assenza di differenze significative.
- Tuttavia, nei mesi di gennaio (e e f) e febbraio (g e h), si manifesta un cambiamento marcato: ci sono meno occorrenze di vortici polari forti (>80 PVU) durante la fase EQBO e più occorrenze di vortici polari deboli rispetto alla fase WQBO. Questo è evidenziato dalle differenze visualizzate nei grafici di destra e confermato da un valore p basso nei grafici di sinistra, che indica una significatività statistica nelle variazioni osservate.
In conclusione, la Figura 2 rivela che, specialmente nei mesi di gennaio e febbraio, il vortice polare tende a essere più debole durante la fase EQBO rispetto alla fase WQBO, suggerendo che l’influenza della QBO sull’intensità del vortice polare è più pronunciata verso la fine dell’inverno.
La Figura 3 ci fornisce una rappresentazione grafica di come i venti zonali, cioè quelli che scorrono da est a ovest o viceversa lungo i paralleli, cambino tra le fasi orientali (EQBO) e occidentali (WQBO) dell’Oscillazione Quasi-Biennale durante i mesi invernali, da novembre a febbraio. Utilizzando i dati medi mensili raccolti da ERA-Interim, i grafici offrono uno spaccato della dinamica atmosferica ad altezze variabili, mostrate in ettopascal (hPa) sull’asse verticale, e a diverse latitudini, mostrate sull’asse orizzontale da 30°N a 90°N.
Nei pannelli di sinistra (a, c, e, g) si notano aree colorate in blu e rosso, dove il blu indica una maggiore intensità dei venti zonali durante la fase EQBO e il rosso durante la WQBO. I puntini sovrapposti indicano le aree dove le differenze tra le due fasi sono statisticamente significative con un livello di confidenza del 95%, secondo il test t di Student. Ciò suggerisce che le osservazioni non sono frutto del caso, ma rappresentano variazioni autentiche e affidabili.
Analizzando i grafici possiamo rilevare:
- In novembre (a) e dicembre (b), si alternano zone di colore blu e rosso, a indicare che ci sono fluttuazioni apprezzabili nella forza dei venti zonali che differiscono significativamente tra le due fasi della QBO.
- In gennaio (c) e febbraio (d), queste differenze si accentuano: le estensioni di colore blu e rosso diventano più ampie, segnalando un’influenza più marcata della fase della QBO sulla forza dei venti zonali.
In conclusione, la Figura 3 mette in luce come e quanto la QBO possa influenzare la forza e la distribuzione dei venti zonali nell’Emisfero Nord, con variazioni che si distinguono chiaramente a seconda del mese e confermate da un’analisi statistica. Questi cambiamenti sono particolarmente rilevanti perché possono avere impatti significativi sulla meteorologia e i pattern climatici.
La Figura 4 ci offre una panoramica delle variazioni stagionali nella velocità del vento zonale e nella temperatura, correlate alle fasi dell’Oscillazione Quasi-Biennale (QBO). Tramite una rappresentazione visiva, le mappe mostrano come i venti e le temperature si differenziano tra la fase EQBO e la WQBO nei mesi invernali, utilizzando come fonte i dati ERA-Interim.
Le mappe in alto (a-c) evidenziano le differenze nella velocità dei venti zonali: le tonalità di blu segnalano dove i venti sono più deboli durante EQBO rispetto a WQBO, e viceversa per le tonalità di rosso. Queste differenze di velocità si mostrano per i mesi di dicembre (a), gennaio (b) e febbraio (c), rispettivamente.
Spostandoci nelle mappe in basso (d-f), il focus è sulle differenze di temperatura, con la stessa logica di colorazione: il blu indica temperature più basse durante EQBO e il rosso temperature più alte. Anche qui, l’analisi è ripartita tra dicembre (d), gennaio (e) e febbraio (f).
Le linee di contorno e i punti rappresentano i contorni medi e i centri del vortice polare durante le due fasi della QBO, contrassegnati in rosso per EQBO e in verde per WQBO. Le aree punteggiate denotano dove le differenze sono statisticamente significative, fornendo un’indicazione della loro affidabilità.
Da queste mappe emerge che le fasi della QBO esercitano una marcata influenza sia sui venti zonali sia sulle temperature atmosferiche sopra le regioni polari, con impatti che variano in base al periodo invernale analizzato. Le osservazioni sono supportate da un rigore statistico, come dimostrato dal test di Student, rivelando come la QBO sia un fattore determinante nella dinamica climatica stagionale.
La Figura 4 illustra in modo chiaro le differenze osservate nel vento zonale e nella temperatura tra le fasi EQBO e WQBO all’interno dello strato atmosferico compreso tra i 430 e i 600 K. Durante i mesi di dicembre e gennaio, si evidenzia una risposta anomala pressoché zonalmente simmetrica al QBO, che ricorda da vicino il modo annulare del nord (NAM), come mostrato nelle Figure 4a e 4b. Questa simmetria, tuttavia, cede il passo a una marcata asimmetria zonale in febbraio, dove le differenze di vento zonale diventano negative nel settore tra i 90° e i 180°E e positive tra gli 0° e i 90°W, come illustrato nella Figura 4c. Questo cambiamento risulta in linea con gli studi precedenti, in particolare con le ricerche condotte da Watson e Gray nel 2014, che hanno evidenziato come la correlazione spaziale tra le anomalie di altezza geopotenziale indotte dal QBO e la firma del NAM raggiunga il suo punto più basso proprio in febbraio.
Interessante è anche osservare come l’interazione tra le anomalie positive e negative del vento zonale porti a un effetto di annullamento che risulta in un’anomalia non significativa nella media zonale del vento zonale di febbraio associata al QBO, come si può vedere nella Figura 3d. Analogamente, la risposta della temperatura al QBO segue un pattern simile, con anomalie termiche positive significativamente maggiori nella regione polare dell’emisfero nord durante le fasi EQBO di dicembre e gennaio (Figure 4d-4e), pur presentando una lieve asimmetria zonale a dicembre. In contrasto, nel mese di febbraio, le anomalie di temperatura assumono una struttura dipolare, con valori negativi sull’Eurasia e positivi sull’America del Nord, come mostrato nella Figura 4f. Questa variazione stagionale nel comportamento delle anomalie di vento e temperatura evidenzia la complessità delle interazioni climatiche e l’importante ruolo giocato dal QBO nell’influenzare le dinamiche atmosferiche a scala globale.
La Figura 5 ci offre un’analisi dettagliata di come il vortice polare dell’emisfero nord si distribuisce nei mesi invernali, dal novembre al febbraio, focalizzandosi sugli strati atmosferici che vanno dai 430 ai 600 K. Ogni coppia di grafici, dalla (a) alla (h), rappresenta la distribuzione percentuale delle aree del vortice polare rispetto agli emisferi orientale e occidentale. I dati, ottenuti dal set di dati ERA-Interim, sono stati suddivisi per mostrare le differenze durante le fasi di oscillazione quasi-biennale orientale, indicate in rosso, e quelle occidentale, in verde.
L’area frazionale, che è il rapporto percentuale tra l’area del vortice che ricopre un emisfero e l’area totale del vortice polare, ci dice quanto ampiamente il vortice si estende su ciascun emisfero. Confrontando le barre rosse e verdi all’interno di ciascun grafico, possiamo osservare come questa distribuzione varia notevolmente in base alla fase della QBO e al mese in esame.
Particolarmente interessante è il valore “p” posizionato nell’angolo superiore di ogni grafico. Questo valore, ottenuto dal test di Kolgomorov-Smirnov, ci serve per valutare se le differenze tra le distribuzioni nelle fasi orientale e occidentale sono statisticamente significative. Un valore “p” basso ci suggerirebbe che le differenze osservate non sono casuali, ma riflettono un vero cambiamento nelle dinamiche del vortice polare.
Attraverso questa serie di grafici, possiamo quindi apprezzare la complessità e la variazione delle dinamiche del vortice polare e come queste possono essere influenzate dalle diverse condizioni legate alla QBO, offrendoci preziosi spunti per comprendere meglio il comportamento del clima nelle latitudini più elevate.
La Tabella 1 ci offre un’analisi comparativa delle dimensioni medie del vortice polare sopra gli emisferi orientale e occidentale, mostrando le variazioni nei mesi che vanno da novembre a febbraio durante le due diverse fasi dell’oscillazione quasi-biennale, cioè la fase orientale (EQBO) e quella occidentale (WQBO). Attraverso le percentuali elencate, possiamo comprendere quanto ampiamente il vortice polare si estenda in ciascuna delle fasi.
Nello specifico, la colonna EQBO (%) ci indica quanto sia grande l’area del vortice polare durante la fase orientale della QBO, mentre la colonna WQBO (%) ci dice quanto sia estesa questa area nella fase occidentale. La colonna Differenza (%) ci presenta poi la variazione percentuale tra queste due fasi.
Ad esempio, prendendo il mese di novembre per l’emisfero orientale, notiamo che il vortice polare copre il 66,2% dell’area durante la fase EQBO e il 63,1% nella fase WQBO. La differenza del 3,1% ci fa capire che, in questo periodo dell’anno, il vortice ha una maggiore estensione durante la fase EQBO rispetto alla WQBO.
Per l’emisfero occidentale, si registra una copertura del 33,8% durante la fase EQBO e del 36,9% nella fase WQBO, con una variazione di -3,1%, il che suggerisce un’espansione maggiore del vortice polare in fase WQBO rispetto a quella EQBO, sempre a novembre.
La tabella è una finestra sul comportamento del vortice polare, che si espande e si contrae sopra gli emisferi in maniera differente a seconda del mese e della fase del QBO. Questi dati sono essenziali per approfondire la nostra comprensione di come il QBO influenzi la distribuzione del vortice polare e, di conseguenza, possa avere effetti sul clima a scala globale.
Dalle Figure da 1 a 4 emerge una tendenza interessante: l’influenza del QBO sulla potenza del vortice polare si fa più marcata man mano che si procede dall’inizio alla fine dell’inverno. La Figura 5 porta l’analisi un passo più avanti, mostrando come si distribuiscono le dimensioni del vortice polare negli emisferi orientale e occidentale nei mesi da novembre a febbraio, durante le fasi di EQBO e di WQBO. Una frequenza elevata di grandi aree frazionarie in una specifica regione indica che il vortice polare tende a manifestarsi più spesso in quella zona. E si osserva che, durante tutto l’inverno, il vortice è più incline a posizionarsi sull’emisfero orientale piuttosto che su quello occidentale, indipendentemente dalla fase del QBO. Questa osservazione è in linea con studi precedenti che localizzano preferibilmente il vortice polare artico sopra il continente eurasiatico.
Una nota di particolare rilievo è che, durante le fasi di EQBO, la frequenza con cui compaiono estese aree frazionarie (superiori al 70%) sull’emisfero orientale supera significativamente quella delle fasi di WQBO in tutti i mesi invernali. Per l’emisfero occidentale, al contrario, è maggiore la frequenza delle aree frazionarie più ridotte (inferiori al 30%) durante le fasi di EQBO. I risultati del test di Kolgomorov-Smirnov, poi, ci confermano che le differenze nelle distribuzioni osservate tra le fasi di EQBO e di WQBO sono statisticamente significative, con un livello di confidenza del 99%.
In termini numerici, come evidenziato nella Tabella 1, l’area frazionaria media è maggiore sull’emisfero orientale durante le fasi di EQBO rispetto alle fasi di WQBO in tutti i mesi invernali, mentre sull’emisfero occidentale l’area frazionaria media si riduce durante le fasi di EQBO. Questa tendenza raggiunge il suo apice in febbraio, con una differenza media nell’area frazionaria tra le fasi di EQBO e WQBO che arriva al 17,6%, più del doppio della differenza riscontrata nei mesi precedenti. La più piccola discrepanza, intorno al 3,1%, si registra a novembre. In sostanza, questi dati rivelano un chiaro pattern stagionale e geografico dell’impatto del QBO sul vortice polare.
La Figura 6 ci offre un dettagliato confronto tra le fasi EQBO e WQBO, mostrando come queste influenzano la posizione e l’intensità del vortice polare nello strato atmosferico compreso tra i 430 e 600 K. Queste osservazioni emergono dalle simulazioni del modello CESM, che includono la direzionalità del vento QBO (per maggiori dettagli si veda la sezione 2). Interessante è come il modello CESM riesca a riprodurre un vortice polare più debole nell’emisfero nord in gennaio e febbraio durante la fase EQBO, rispetto a quella WQBO, sebbene questo effetto non sia evidente nelle simulazioni di novembre e dicembre. Tuttavia, le caratteristiche ondulatorie delle anomalie riscontrate in dicembre potrebbero suggerire che durante la fase EQBO si verifica un incremento dell’attività delle onde planetarie alle alte latitudini (vedi Figura 6b). Le simulazioni del CESM rivelano, inoltre, anomalie negative di PV nell’area artica e anomalie positive sul continente eurasiatico, indicando uno spostamento del bordo e del centro del vortice polare verso l’Eurasia nei mesi di gennaio e febbraio durante le fasi EQBO (evidenziato dalle linee di contorno rosse). Questi dati di simulazione sono in accordo con i risultati compositi ottenuti dai dati di ri-analisi (Figura 1), confermando che durante EQBO il vortice polare tende a indebolirsi e a spostarsi verso l’Eurasia alla fine dell’inverno. È degno di nota il fatto che, in febbraio, il centro di PV negativo si posizioni più a sud sul Nord America rispetto a gennaio durante la fase EQBO. Questo è coerente con i risultati delle analisi composite (Figure 1c e 1d), che indicano un ulteriore allontanamento del vortice polare dal Nord America in febbraio.
Le Figure da 7a a 7c mettono in luce le differenze nella frequenza della forza del vortice polare tra le fasi EQBO e WQBO come osservato nelle simulazioni del CESM. Durante le fasi EQBO, si nota una riduzione della frequenza dei vortici polari estremamente forti, con valori superiori ai 90 PVU, e un aumento di quelli più deboli in gennaio e febbraio; un fenomeno che non si verifica invece in dicembre. Questi risultati sono in linea con quelli compositi derivanti dai dati di ri-analisi (Figura 2). Le Figure da 7d a 7i continuano questa analisi, mostrando le variazioni nella frequenza dell’area frazionaria del vortice polare, con particolare attenzione alle differenze tra le fasi EQBO e WQBO negli emisferi orientale e occidentale, sempre basandosi sulle simulazioni CESM.
Nel cuore dell’inverno, ossia nei mesi di gennaio e febbraio, le simulazioni mostrano che la presenza del vortice polare è più accentuata sull’emisfero orientale durante le fasi EQBO rispetto a quelle WQBO, come si evince da un’area maggiore del vortice superiore al 90%. Questo fenomeno si accompagna a un incremento delle occasioni in cui l’area del vortice polare sopra il Nord America è inferiore al 10% durante le fasi EQBO. Questa dinamica rispecchia lo spostamento del vortice polare che tende a muoversi verso l’Eurasia e a distanziarsi dal Nord America, proprio come indicato dalle simulazioni CESM (visualizzabili nella Figura 6) e coerentemente con i risultati derivanti dall’analisi di dati ri-combinati, che mostrano una frequenza maggiore dell’area frazionaria del vortice polare sull’emisfero orientale durante la fase EQBO (evidenziato nella Figura 5).
Gli spostamenti del vortice si fanno ancora più evidenti nel mese di febbraio, dove si nota una netta opposizione tra le distribuzioni delle aree frazionarie degli emisferi orientale e occidentale (illustrato nelle Figure 7f e 7i). Questa inversione di tendenza non è riscontrabile nelle simulazioni di dicembre, periodo in cui si registra persino un leggero aumento dell’area frazionaria del vortice sul Nord America durante le fasi EQBO (come si può vedere nella Figura 7g). Le dinamiche alla base di questa più pronunciata reazione del vortice polare a fine inverno in relazione alle variazioni del QBO saranno esaminate con maggiore dettaglio nella prossima sezione.
La Figura 6 è una finestra sulle dinamiche stagionali del vortice polare attraverso le lenti del Community Earth System Model (CESM), che ci consente di osservare gli effetti dell’oscillazione quasi-biennale (QBO) sui venti. Questa simulazione ci svela il comportamento del vortice mese per mese, da novembre a febbraio, evidenziando le anomalie di potenziale vorticoso (PV).
In novembre, mappa (a), le anomalie di PV sono minimali, quasi come se il vortice stesse aspettando il segnale per intensificarsi. Passando a dicembre, mappa (b), l’attività diventa più pronunciata: un’area di forte PV si accende sopra l’Asia, suggerendo un consolidamento del vortice in quella zona.
Ma è nei mesi di gennaio e febbraio, mappe (c) e (d), che il quadro diventa più chiaro: assistiamo a un notevole incremento delle anomalie positive, ovvero di un PV elevato, che si concentrano sul lato eurasiatico. Al contrario, le anomalie negative si spargono sopra il Nord America, segno di un vortice indebolito. Le linee di contorno mettono in risalto il movimento e la deformazione del vortice, con il contorno rosso di gennaio e febbraio che indica un decisivo slittamento verso l’Eurasia durante le fasi EQBO.
È una rappresentazione chiara di come il vortice polare tenda a rilassarsi e a spostarsi verso l’Eurasia quando siamo in fase EQBO, specialmente nei mesi più rigidi, delineando un pattern che corrisponde alla precedente analisi e che si evidenzia ancor più in febbraio, come se il vortice seguisse un ritmo dettato dalla QBO.
La Figura 7 ci offre una rappresentazione grafica di come varia il vortice polare in relazione alle due fasi dell’oscillazione quasi-biennale, la fase orientale (EQBO) e quella occidentale (WQBO), basata sui dati delle simulazioni giornaliere del Community Earth System Model (CESM).
Nel dettaglio, i grafici (a-c) mostrano le differenze di frequenza nella forza del vortice polare, espressa in potenziale vorticoso (PVU), nei mesi di dicembre, gennaio e febbraio. Le barre rosse indicano un incremento della frequenza di vortici polari più forti durante la fase EQBO, mentre le barre blu rappresentano un incremento durante la fase WQBO. Ad esempio, una prevalenza di barre rosse in una certa fascia di PVU significa che in quel particolare valore si è verificato più frequentemente un vortice polare più intenso durante la fase EQBO rispetto alla WQBO.
I grafici da (d) a (f) confrontano la distribuzione delle frequenze dell’area frazionaria del vortice polare, misurata in percentuale, sull’emisfero orientale, mentre i grafici da (g) a (i) si focalizzano sull’emisfero occidentale. Qui, le differenze tra le fasi EQBO e WQBO vengono esplorate attraverso l’analisi delle aree frazionarie del vortice nei mesi invernali. Ancora una volta, il colore rosso segnala le fasi EQBO e il blu le WQBO, con una differenza marcata che si manifesta con barre più alte.
Complessivamente, la Figura 7 mette in luce le fluttuazioni stagionali e geografiche del vortice polare, offrendoci spunti importanti per comprendere come i cambiamenti nella dinamica atmosferica influenzano il clima globale. Le variazioni osservate nel corso dei mesi invernali ci danno un quadro più chiaro dell’impatto che le diverse fasi del QBO hanno sul vortice polare in termini di intensità e estensione geografica.
La Figura 8 ci mostra una serie di sezioni trasversali latitudine-pressione che rivelano come il flusso di Eliassen-Palm (EP) e la sua divergenza variano tra le fasi orientale e occidentale dell’oscillazione quasi-biennale (EQBO e WQBO) da novembre a febbraio. Attraverso i dati giornalieri ERA-Interim, possiamo vedere dove e quanto intensamente questo trasferimento di energia e quantità di moto si differenzia nelle due fasi.
I flussi EP, che appaiono come vettori nelle figure, sono una rappresentazione visiva di queste forze invisibili che si muovono attraverso l’atmosfera. Per facilitare la lettura dei grafici, la componente orizzontale è stata ridotta per chiarezza e, ancor di più, sotto i 20 hPa, per evidenziare ciò che accade nella stratosfera inferiore.
Le aree punteggiate ci dicono dove le differenze osservate sono statisticamente significative; insomma, dove possiamo essere ragionevolmente sicuri che le variazioni nel flusso EP non siano frutto del caso, ma piuttosto di reali cambiamenti atmosferici legati alle fasi del QBO.
Esaminando i mesi in sequenza:
- A novembre (a), le variazioni sono sottili, con lievi differenze tra le due fasi.
- A dicembre (b), vediamo un aumento della divergenza di flusso EP nella stratosfera alta, come evidenziato da più puntini e da toni più caldi.
- Gennaio (c) e febbraio (d) presentano modifiche più evidenti, con ampie aree di significatività e notevoli aumenti o diminuzioni della divergenza del flusso EP, suggerendo un impatto sostanziale delle fasi del QBO sulla circolazione dell’alta atmosfera, che a sua volta può influire su eventi climatici globali come la forza e la posizione del vortice polare.
La Figura 9 ci svela come il flusso di Eliassen-Palm (EP), essenziale per comprendere il trasporto di energia e la dinamica atmosferica, varia durante i mesi invernali in funzione delle diverse fasi dell’oscillazione quasi-biennale (EQBO e WQBO). Attraverso un insieme di sezioni trasversali che vanno da novembre a febbraio, si possono notare le differenze cromatiche che rappresentano la divergenza del flusso EP: in termini semplici, le zone colorate indicano dove e quanto la circolazione atmosferica si discosta dalla media durante le fasi EQBO rispetto alle WQBO.
Dai dati di ERA-Interim e dalle simulazioni del CESM, possiamo osservare come i vettori del flusso EP, che indicano la direzione e l’intensità del trasporto atmosferico, cambiano tra i modelli e nei diversi mesi. Inoltre, la regolazione nella rappresentazione grafica dei flussi EP aiuta a concentrare l’attenzione sugli strati più bassi della stratosfera, dove si verificano le variazioni più significative.
I contorni nel grafico arricchiscono il quadro, delineando la velocità media del vento zonale e mostrando se il vento tende a soffiare più forte o più debole durante le fasi EQBO rispetto alle WQBO. Il fatto che alcune regioni siano punteggiate sottolinea la presenza di differenze statisticamente significative, conferendo solidità ai cambiamenti osservati.
Attraverso la Figura 9, abbiamo quindi una visione approfondita delle variazioni nei flussi EP legate alla prima componente delle onde planetarie e di come questi elementi interagiscano con i venti zonali. Questa rappresentazione grafica evidenzia non solo le differenze stagionali ma anche quelle tra i due modelli atmosferici, sottolineando l’importante ruolo delle fasi del QBO nell’influenzare i meccanismi alla base della nostra atmosfera.
La Figura 10 ci fornisce uno spaccato dettagliato su come l’atmosfera terrestre gestisce le onde planetarie nei mesi di gennaio e febbraio, confrontando le condizioni tra le fasi orientale e occidentale dell’oscillazione quasi-biennale. Attraverso i dati ERA-Interim e le simulazioni del CESM, la figura traccia le variazioni nella frequenza in cui l’indice di rifrazione atmosferico diventa negativo—una situazione che rende più difficoltosa la propagazione delle onde planetarie.
I colori sulla mappa, blu e rosso, evidenziano dove queste condizioni sfavorevoli sono più o meno frequenti durante la fase EQBO rispetto alla WQBO. Le zone in rosso si corrispondono con una maggiore incidenza di un indice di rifrazione negativo durante la WQBO, e le zone in blu durante l’EQBO.
Oltre ai colori, le linee di contorno ci danno una lettura del vento zonale medio zonale, permettendoci di capire meglio come il vento agisca sul movimento delle onde. Le linee solide segnalano dove il vento è più forte in media, e quelle tratteggiate dove è più debole.
Le aree segnate con dei puntini sono quelle in cui la differenza tra EQBO e WQBO è abbastanza forte da essere considerata statisticamente significativa, rafforzando la fiducia nei modelli e nelle osservazioni.
Insomma, questa figura ci aiuta a decifrare il complesso dialogo tra le onde planetarie e l’atmosfera terrestre, influenzato dalle oscillazioni regolari del QBO, e mostra come le due distinte fonti di dati—ERA-Interim e CESM—registrano questi fenomeni in modo diverso. Questa comprensione è fondamentale per anticipare e interpretare la variabilità del nostro clima.
- Meccanismi Responsabili dello Spostamento del Vortice Polare Indotto dal QBO
Ricerche passate hanno evidenziato che la fase EQBO dell’oscillazione quasi-biennale può condurre a un indebolimento del vortice polare, soprattutto favorendo una maggiore propagazione di onde planetarie verso la stratosfera ad alta latitudine. Secondo quanto mostrato nella Figura 8, si assiste a un’intensificazione del flusso ascendente di attività ondulatoria simile a una “fontana” nella stratosfera inferiore. A novembre, tale attività si propaga più verso l’equatore, vicino alla linea del vento zero che si sposta polare tra i 30 e i 100 hPa, mentre a dicembre la propagazione delle onde si orienta più verso i poli durante le fasi EQBO rispetto a quelle WQBO. Questi risultati sono in linea con gli studi di White et al. (2015, 2016). La potenziata diramazione polare del flusso EP anomalo a fontana nella stratosfera inferiore provoca una convergenza del flusso EP alle alte latitudini verso la fine dell’inverno, contribuendo all’indebolimento del vortice polare nello strato 430-600 K.
Contemporaneamente, si registra un’accentuata convergenza del flusso EP nella stratosfera superiore sopra le latitudini medie e alte durante le fasi EQBO. Questa convergenza è particolarmente forte a dicembre (vedi Figura 8b). A gennaio, la convergenza del flusso EP si affievolisce e diventa persino divergente, il che indica una riduzione dei flussi d’onda propaganti verso l’alto (come evidenziato in Figura 8c). In febbraio, persiste una maggiore divergenza del flusso EP nella stratosfera superiore artica e una minore propagazione verso l’alto del flusso EP nella stratosfera inferiore durante le fasi EQBO (illustrato nella Figura 8d). È rilevante notare le differenze nella direzione del flusso EP nella stratosfera superiore tra gennaio e febbraio, che potrebbero essere correlate ai diversi flussi di fondo presenti nei due mesi. Gli scarti negativi del vento zonale a gennaio possono raggiungere l’1 hPa, mentre il vento zonale stratosferico superiore in febbraio è più intenso durante le fasi EQBO rispetto a quelle WQBO (come mostrato in Figura 3). Ciò può ostacolare (o favorire) la propagazione verso l’alto dei flussi d’onda al di sopra dei 5 hPa durante gennaio (o febbraio) nella stratosfera superiore. L’inversione delle differenze del vento zonale nella stratosfera superiore tra le fasi EQBO e WQBO da gennaio a febbraio potrebbe essere interpretata come risultato della vacillazione stratosferica, un fenomeno descritto da Holton & Mass nel 1976.
La componente dell’onda planetaria 1 svolge un ruolo fondamentale nell’influenzare il flusso di Eliassen-Palm (EP) durante le diverse fasi del QBO, EQBO e WQBO, come evidenziato dalla Figura 9. In particolare, emerge con chiarezza che in febbraio, durante le fasi EQBO, la convergenza del flusso EP per l’onda 1 è maggiormente pronunciata nella stratosfera inferiore (come si vede nella Figura 9d), se confrontata con la convergenza dell’insieme delle componenti delle onde (mostrato nella Figura 8d). Questa intensa convergenza di onde planetarie 1 si allinea perfettamente con lo spostamento più estremo del vortice polare che si registra proprio in questo periodo (descritto nella Figura 1d).
Ulteriori osservazioni dalle simulazioni CESM confermano una ridotta tendenza delle onde 1 a propagarsi verso l’alto nella stratosfera inferiore, specialmente a nord del 70°N, sia a gennaio che a febbraio durante le fasi EQBO (come mostrato nelle Figure 9e e 9f). Questo comportamento è correlato all’aumento della frequenza dell’indice di rifrazione negativo per l’onda 1, osservabile nelle Figure 10a e 10c per gennaio e 10b e 10d per febbraio. La presenza di una convergenza del flusso EP tra i 100 hPa e i 30 hPa suggerisce che in febbraio c’è una maggiore tendenza delle onde 1 a rimanere confinate nella stratosfera inferiore (dettagliato nelle Figure 9d e 9f).
Riscontri da studi antecedenti hanno messo in luce che le anomalie positive della frequenza sono attribuibili alle anomalie orientali nella stratosfera superiore nei mesi antecedenti durante le fasi EQBO (secondo quanto riportato in lavori di Garfinkel et al., 2012; Watson & Gray, 2014; White et al., 2016). Le stesse anomalie orientali della stratosfera superiore si possono osservare nelle linee di contorno per l’inizio dell’inverno nelle Figure 9a e 9b.
La Figura 11 ci mostra una dettagliata analisi della frequenza degli eventi di rottura del vortice di Rossby (RWB), un fenomeno che contribuisce a modellare il flusso atmosferico globale e che può avere significative ripercussioni sul tempo e sul clima. Questi eventi di RWB, raffigurati attraverso ombreggiature colorate, sono stati osservati nei mesi di gennaio e febbraio e confrontati tra le fasi di oscillazione quasi-biennale orientale (EQBO) e occidentale (WQBO), utilizzando sia dati ERA-Interim che simulazioni del CESM.
Le regioni punteggiate sulle mappe indicano dove le differenze nella frequenza di RWB sono statisticamente significative, cioè dove c’è una forte evidenza che la frequenza di tali eventi sia effettivamente diversa tra le due fasi del QBO, con una sicurezza del 95%.
I vettori che vediamo illustrano le differenze nei flussi di Plumb, che rappresentano il trasporto di energia e quantità di moto da onde atmosferiche con un numero d’onda compreso tra 5 e 10, concentrati tra i 70 e i 100 hPa. Questi flussi sono particolarmente amplificati nella rappresentazione grafica per enfatizzare la componente meridionale e per visualizzare meglio ciò che accade nella stratosfera inferiore a latitudini superiori ai 60°N.
Le linee verdi di contorno che attraversano le mappe descrivono la media del vento zonale zonale, ovvero la componente del vento che soffia longitudinalmente, distinguendo i valori positivi (linee solide) da quelli negativi (linee tratteggiate). Questo ci offre una visione su come i venti medi cambiano in risposta alle diverse fasi del QBO.
In conclusione, la Figura 11 mette in luce come la dinamica atmosferica, rappresentata dalla frequenza di RWB e dal comportamento dei flussi di Plumb, varia in maniera significativa a seconda della fase del QBO, suggerendo una profonda influenza di questi cicli atmosferici sulla circolazione del vento nelle alte latitudini durante l’inverno.
Durante il mese di febbraio, i risultati delle simulazioni del modello CESM rivelano la presenza di flussi anomali di Eliassen-Palm (EP) diretti verso il basso nella stratosfera superiore (Figura 9f), in netto contrasto con quanto osservato nei dati Interim (Figura 9d). Tale discrepanza è dovuta alla incapacità del modello CESM di riprodurre le anomalie positive dei venti zonali nella stratosfera superiore durante le fasi EQBO (evidenziate dalle linee di contorno nelle Figure 9f e 10d) come invece emerso dai dati Interim (linee di contorno nelle Figure 9d e 10b). Le divergenze nei flussi di fondo tra le simulazioni di modello e i risultati di ri-analisi portano a un indice di frequenza (Fn) opposto nei due casi (come si può confrontare nelle Figure 10b e 10d).
Non solo l’onda planetaria 1 ha un impatto sul vortice polare, ma anche le onde di Rossby a scala sinottica nella stratosfera inferiore possono modulare ulteriormente la posizione del getto polare. La Figura 11 evidenzia le differenze nella frequenza di eventi di rottura delle onde di Rossby (RWB) a gennaio e febbraio tra le fasi EQBO e WQBO. La frequenza di RWB viene definita come il numero di giorni in un mese in cui si verifica un gradiente meridionale negativo nella potenzialità vorticosità (PV), situazione che si traduce in un indebolimento del vortice polare e in uno scambio d’aria più irreversibile tra le medie e alte latitudini. Sia le osservazioni (Figure 11a e 11b) che le simulazioni del modello (Figure 11c e 11d) indicano un maggior numero di eventi di RWB alle medie e alte latitudini durante le fasi EQBO rispetto alle WQBO, corrispondendo al vortice polare più debole legato alle fasi EQBO. Gennaio e febbraio vedono un incremento degli eventi di RWB alle latitudini più elevate sopra il continente eurasiatico, mentre si riscontrano meno eventi di RWB alle alte latitudini sopra il Nord America in febbraio (Figure 11b e 11d), in coerenza con le anomalie orientali sull’Eurasia e quelle occidentali sul Nord America durante le fasi EQBO (Figura 4c). La maggiore frequenza di eventi di RWB alle medie e alte latitudini durante le fasi EQBO è intimamente collegata a una più marcata propagazione polare dei flussi d’onda con numero d’onda tra 5 e 10 (vettori nella Figura 11) durante le fasi EQBO, che partono dalle basse latitudini e si dirigono verso le medie e alte latitudini, particolarmente sopra il continente eurasiatico.
È emerso che le onde planetarie da 1 a 3 mostrano una marcata tendenza a propagarsi verso l’alto sopra il continente eurasiatico, anche se questo dato specifico non è stato illustrato. Inoltre, secondo i risultati delle simulazioni CESM, si verifica un trasporto più intenso del flusso di Plumb polare sopra l’Eurasia in febbraio durante le fasi EQBO (Figura 11d). Questa situazione, però, non si riflette identicamente a gennaio (Figura 11c). Un incremento della propagazione polare delle onde a scala sinottica verso la fine dell’inverno potrebbe essere legato allo spostamento polare del getto subtropicale durante le fasi EQBO, come indicato dalle linee di contorno del vento positivo a nord del 30°N sopra l’Asia in Figura 11 e dalle anomalie del vento zonale positivo a nord del 30°N in Figura 3. Questa osservazione è in linea con le scoperte precedenti.
Gli studi condotti dimostrano che tanto le onde planetarie quanto quelle a scala sinottica contribuiscono a indebolire e spostare il vortice polare verso la fine dell’inverno durante le fasi EQBO. Questa differenza stagionale potrebbe essere correlata all’evoluzione stagionale della forza media climatologica del vortice polare stesso.
La Figura 12 raffigura il vento zonale medio climatologico nell’emisfero nord e la sua deviazione interannuale. Si nota che il getto polare è particolarmente forte in dicembre e gennaio, e che la variabilità interannuale del getto zonale occidentale alle alte latitudini raggiunge il picco a gennaio, il che potrebbe fornire una spiegazione alla maggiore intensità delle anomalie del vento zonale ad alte latitudini associate al QBO riscontrate a gennaio (Figure 3 e 4a-4c). Al contrario, il getto polare invernale e il vortice polare dell’emisfero nord risultano essere i più deboli in febbraio, in particolar modo nella stratosfera inferiore, ciò suggerisce una maggiore vulnerabilità del vortice polare NH alle perturbazioni delle onde planetarie in questo periodo. Di conseguenza, durante le fasi EQBO, il vortice polare tende a spostarsi in modo più evidente verso l’Eurasia e a manifestare una forza minore in febbraio rispetto ai mesi invernali precedenti.
la figura 12 è un interessante esempio di come i dati climatologici possano essere visualizzati per ottenere una comprensione più profonda della dinamica atmosferica. Quattro pannelli, da (a) a (d), rappresentano quattro mesi consecutivi, da novembre a febbraio, mostrando come il vento zonale medio a diverse latitudini varia con la pressione atmosferica.
Ogni pannello illustra il comportamento medio del vento zonale, cioè la componente del vento che soffia da ovest verso est, lungo linee di latitudine costante. Le linee contornate mostrano la velocità di questo vento in metri al secondo, dove ogni intervallo di contorno corrisponde a 2 m/s. Questi contorni sono sovrapposti da ombreggiature colorate che indicano la deviazione standard interannuale di questa velocità del vento. In termini semplici, il colore ci aiuta a capire quanto sia prevedibile il vento zonale: il blu sta per maggiore uniformità da un anno all’altro, mentre il rosso indica una maggiore variabilità.
La linea nera spessa che attraversa ogni grafico serve come un benchmark, segnalando dove il vento zonale raggiunge una velocità di 24 m/s. Questo valore è significativo perché è associato alla forza del vortice polare, una zona di bassa pressione circondata da venti freddi che può influenzare notevolmente il clima delle latitudini medie e alte.
Osservando come questa linea di riferimento cambia da novembre a febbraio, possiamo dedurre le variazioni stagionali nella forza del vortice polare, che è fondamentale per comprendere i modelli meteorologici e per prevedere eventi climatici estremi. Questa analisi è vitale non solo per la previsione del tempo quotidiana ma anche per la nostra comprensione di come i cambiamenti climatici possano influenzare questi schemi atmosferici in futuro.
Conclusioni
Il presente studio ha riconsiderato come l’Oscillazione Quasi-Biennale (QBO) incida sul vortice polare stratosferico dell’emisfero nord durante l’inverno, esaminando la forza e la posizione del vortice polare definite dal Potenziale Vorticità (PV). Questa analisi è stata effettuata mediante l’uso di dati della rianalisi ERA-Interim e simulazioni del modello CESM. Confermando le scoperte di ricerche precedenti, si è osservato che durante le fasi di QBO orientale (EQBO), il vortice polare è generalmente più debole rispetto alle fasi di QBO occidentale (WQBO). È emerso che durante le fasi EQBO, il vortice si sposta maggiormente verso il continente eurasiatico, distanziandosi dal Nord America.
Uno degli aspetti più rilevanti emerge dallo studio dei dati compositi, che mostra come l’affievolimento e la migrazione del vortice polare nell’emisfero nordico siano particolarmente pronunciati nella stratosfera inferiore e verso la fine dell’inverno, in particolar modo nel mese di febbraio. La differenza nell’estensione del vortice polare sull’emisfero orientale tra le fasi EQBO e WQBO in questo periodo supera di oltre il doppio quella osservata nei mesi antecedenti, come evidenziato nella Tabella 1.
Anche le differenze nella forza del vortice polare, definite dalla media ponderata dell’area del PV tra le fasi EQBO e WQBO, sono più consistenti nei mesi di gennaio e febbraio rispetto a novembre e dicembre. L’apparente minore influenza della QBO sui dati medi zonali del vento zonale e della temperatura nella regione polare dell’emisfero nord in febbraio (Figura 3d) può essere attribuita agli effetti compensativi delle anomalie di segno opposto sopra Eurasia e Nord America, causati dallo spostamento del vortice polare legato alla QBO (Figura 4).
I risultati ottenuti tramite una serie di dati del modello CESM di 60 anni, tarati sui venti QBO, confermano che i fenomeni più marcati di indebolimento e spostamento del vortice polare dell’emisfero nord associati alle fasi EQBO si verificano nei mesi di gennaio e febbraio. Queste conclusioni si distaccano da quelle di studi antecedenti, che indicavano come le differenze nell’altezza geopotenziale e nel vento zonale nella regione polare dell’emisfero nord tra le fasi EQBO e WQBO fossero più significative all’inizio dell’inverno, mentre si riteneva che l’importanza dell’effetto HT si riducesse nei mesi più tardi (Holton & Tan, 1982; Hu & Tung, 2002). Tuttavia, i nostri ritrovamenti sono in accordo con l’ipotesi di White et al. (2016), che postula una discesa dell’effetto HT nella stratosfera inferiore durante la tarda stagione invernale.
Le analisi approfondite hanno messo in luce come, nei mesi invernali di gennaio e febbraio, durante le fasi di Oscillazione Quasi-Biennale orientale (EQBO), il vortice polare dell’emisfero nord subisca un indebolimento e uno spostamento significativo nella stratosfera inferiore. Questi cambiamenti sono fortemente correlati all’intensificarsi della propagazione verso i poli dell’onda planetaria numero 1, che si dirige verso le latitudini più elevate, e alla sua convergenza nella parte bassa della stratosfera durante la fine dell’inverno.
L’incremento della propagazione polare di quest’onda nella stratosfera inferiore, caratteristico dei mesi invernali più avanzati, è attribuibile a condizioni meno favorevoli per il suo movimento ascendente, come dimostrato dalla frequente presenza di un indice di rifrazione negativo nelle latitudini medie e alte. Queste condizioni avverse sono la diretta conseguenza di forze orientali che agiscono nella stratosfera superiore all’inizio dell’inverno, un fenomeno tipico delle fasi EQBO.
Inoltre, durante queste stesse fasi EQBO, si verifica una presenza più marcata di onde sinottiche di dimensioni polari, legate allo spostamento verso i poli del getto subtropicale, rispetto a quanto osservato nelle fasi di Oscillazione Quasi-Biennale occidentale (WQBO). Ciò comporta un aumento della frequenza di eventi di rottura delle onde sinottiche a scala ridotta (RWB) nella stratosfera inferiore sopra il continente eurasiatico, specialmente durante i mesi finali dell’inverno. Questo fenomeno contribuisce a spingere ancora più verso l’Eurasia il vortice polare stratosferico inferiore.
Per concludere, una spiegazione plausibile del perché il vortice polare tenda a spostarsi di più verso l’Eurasia nel mese di febbraio, piuttosto che negli altri mesi invernali durante le fasi EQBO, potrebbe risiedere nella sua intrinseca debolezza climatologica in questo periodo dell’anno.