Il Percorso Stratosferico di La Niña

Il Percorso Stratosferico di La Niña

Autori: Maddalen Iza e Natalia Calvo Departamento de Física de la Tierra II, Universidad Complutense de Madrid, Madrid, Spagna

Elisa Manzini Max Planck Institute for Meteorology, Amburgo, Germania

Ricevuto il 18 marzo 2016, in forma definitiva il 31 agosto 2016

RIASSUNTO

Un percorso stratosferico polare nell’Emisfero Nord (NH) per gli eventi di La Niña viene stabilito durante l’inverno basandosi sui dati di rianalisi per il periodo 1958–2012. Si osserva una robusta risposta stratosferica polare nell’NH durante gli eventi forti di La Niña, caratterizzata da un vortice polare significativamente più forte e più freddo. Anomalie significative del vento raggiungono la superficie, e si osserva un impatto robusto sulla regione Nord Atlantica-Europea (NAE). Un’analisi dinamica rivela che i venti stratosferici polari più forti durante gli inverni di La Niña sono dovuti a una ridotta attività delle onde planetarie verso l’alto nello stratosfero. Questo risultato è frutto di un’interferenza distruttiva tra gli eddies stazionari climatologici e quelli anomali di La Niña nella regione del Pacifico-Nord Americano.

Inoltre, viene indagata la mancanza di una firma stratosferica robusta durante gli inverni di La Niña riportata in studi precedenti. Si scopre che ciò è legato alla soglia inferiore utilizzata per rilevare gli eventi, la cui firma risulta quindi più soggetta a essere oscurata dall’influenza di altre fonti di variabilità. In particolare, l’occorrenza di riscaldamenti stratosferici improvvisi (SSWs), in parte collegati alla fase dell’oscillazione quasi-biennale, modula il segnale stratosferico osservato. Nel caso degli inverni di La Niña definiti da una soglia inferiore, si trova un raffreddamento stratosferico robusto solo in assenza di SSW. Pertanto, questi risultati evidenziano l’importanza di utilizzare una soglia relativamente restrittiva per definire gli eventi di La Niña al fine di ottenere una risposta superficiale robusta nella regione NAE attraverso la stratosfera.

1. Introduzione

L’Oscillazione del Sud-El Niño (ENSO) è la principale fonte di variabilità interannuale nei tropici, con teleconnessioni rilevanti negli extratropici dell’Emisfero Nord (NH) (Horel e Wallace 1981). Il segnale stratosferico durante la fase calda dell’ENSO (El Niño) è stato ampiamente documentato (García-Herrera et al. 2006; Manzini et al. 2006; Fletcher e Kushner 2011); durante gli inverni di El Niño, l’attività delle onde verso lo stratosfero è potenziata tramite un’interferenza costruttiva tra le anomalie di El Niño e gli eddies climatologici, risultando in un vortice polare più caldo e debole. Anomalie medie zonali del vento zonale nello stratosfero si propagano verso il basso nella troposfera, influenzando la regione Nord Atlantica ed Europea (NAE) (Cagnazzo e Manzini 2009; Ineson e Scaife 2009; Bell et al. 2009). È stato effettivamente dimostrato che El Niño ha il potenziale di migliorare la prevedibilità stagionale sull’Europa (Domeisen et al. 2015).

Meno attenzione è stata dedicata alla risposta stratosferica alla fase fredda dell’ENSO (La Niña), e non è ancora chiaro se La Niña possa influenzare la regione NAE attraverso un percorso stratosferico. Alcuni studi basati su dati di rianalisi e osservazioni hanno mostrato un raffreddamento stratosferico polare durante gli inverni di La Niña, sebbene la risposta sia debole o non significativa (Mitchell et al. 2011; Free e Seidel 2009). Si dovrebbe notare che il breve record (e quindi il basso rapporto segnale-rumore) potrebbe essere la ragione per l’assenza di una risposta stratosferica di La Niña chiaramente robusta nei dati di osservazione e rianalisi. Per questo motivo, a volte si utilizza una soglia relativamente bassa per aumentare il numero di eventi di La Niña identificati (Butler e Polvani 2011; Barriopedro e Calvo 2014; Domeisen et al. 2015). Le diverse soglie utilizzate per selezionare gli eventi di ENSO freddo nella letteratura ostacolano un confronto diretto tra questi studi. Pertanto, la risposta stratosferica polare e di conseguenza la sua propagazione verso il basso nella troposfera durante La Niña rimangono incerte.

Qui, facciamo uso di un insieme di dati di rianalisi leggermente più lungo di quello precedentemente utilizzato per valutare il percorso stratosferico di La Niña nell’NH. Inizialmente utilizziamo una soglia di La Niña relativamente alta per indagare se gli inverni di La Niña possano portare a una risposta robusta nello stratosfero polare distinguibile dallo stato climatologico e se un percorso stratosferico di influenza di La Niña nella troposfera sia rilevabile. Successivamente, esploriamo la sensibilità del segnale stratosferico di La Niña alla soglia utilizzata per identificare gli eventi. Riguardo al percorso stratosferico di influenza di La Niña nella troposfera, ricordiamo che è già stato trovato un legame stretto tra gli inverni di La Niña e la regione NAE. Anomalie negative della pressione al livello del mare (SLP) sono osservate a nord del 50°N alla fine dell’inverno durante gli eventi di La Niña (Moron e Gouirand 2003), insieme a un forte schema di anomalie di precipitazioni sulla regione europea (Pozo-Vázquez et al. 2005).Questo schema, caratterizzato da un aumento delle precipitazioni su Gran Bretagna e Scandinavia e una riduzione delle precipitazioni nell’area del Mediterraneo sud-occidentale, è correlato a una fase positiva dell’Oscillazione del Nord Atlantico (NAO). Tuttavia, Pozo-Vázquez et al. (2005) hanno riconosciuto che non potevano fornire una spiegazione fisica per la relazione tra gli eventi freddi di ENSO e il miglioramento della prevedibilità climatica europea (tramite un modello simile alla NAO positiva). Mostreremo che queste connessioni sono coerenti con un percorso stratosferico di influenza di La Niña verso la troposfera.

Inoltre, testando la sensibilità dei segnali di La Niña alla soglia di selezione, faremo luce sulla questione se l’impatto superficiale di La Niña nella regione NAE sia modulato da altre fonti di variabilità, come i riscaldamenti stratosferici improvvisi (SSWs) e l’oscillazione quasi-biennale (QBO). Come affermato da Butler e Polvani (2011), nel record di rianalisi la frequenza di occorrenza degli SSW è aumentata, rispetto agli inverni neutri, durante gli inverni di El Niño e La Niña.

Allo stesso tempo, la risposta dell’ENSO è anche influenzata dal QBO (Garfinkel e Hartmann 2007, 2008; Calvo et al. 2009; Richter et al. 2015). Durante gli inverni di La Niña nella fase di QBO orientale (EQBO), si osserva un aumento anomalo della temperatura stratosferica all’inizio dell’inverno, mentre un segnale non robusto è osservato durante gli inverni di La Niña in condizioni di QBO occidentale (WQBO) (Garfinkel e Hartmann 2007). Allo stesso modo, l’occorrenza degli SSW può essere modulata dal QBO, poiché l’occorrenza di SSW potrebbe essere favorita durante gli inverni di EQBO (McIntyre 1982) e ritardata alla metà e alla fine dell’inverno in condizioni di WQBO (Lu et al. 2008).

Pertanto, con un record breve e utilizzando una soglia bassa, l’interferenza con i segnali degli SSW e del QBO potrebbe portare a una risposta incerta di La Niña.

2. Metodi

a. Rilevamento degli eventi

Per caratterizzare il segnale di La Niña, prima dobbiamo stabilire il criterio per identificare gli eventi di La Niña. Nella letteratura sono stati utilizzati diversi indici, considerando diverse regioni oceaniche, come Niño-3 (N3) (5°N–5°S, 150°W–90°W) (Hoerling et al. 1997; Manzini et al. 2006) o Niño-4 (N4) (5°N–5°S, 160°E–150°W) (Kug e Ham 2011; Zhang et al. 2015). Tuttavia, la maggior parte degli studi recenti ha utilizzato l’indice Niño-3.4 (N3.4) (5°N–5°S, 170°W–120°W) dall’indice National Centers for Environmental Prediction/Climate Prediction Center (NCEP/CPC) (ad esempio, Free e Seidel 2009; Butler e Polvani 2011; Garfinkel et al. 2012; Butler et al. 2014; Barriopedro e Calvo 2014; Domeisen et al. 2015). Per questa ragione, scegliamo l’indice N3.4 dall’NCEP/CPC. Inoltre, questi indici sono stati calcolati utilizzando le anomalie della temperatura della superficie del mare (SST) (ad esempio, Butler e Polvani 2011; Garfinkel et al. 2012) o i loro valori standardizzati (ad esempio, Hoerling et al. 1997; Mitchell et al. 2011). Infine, sono state applicate diverse soglie per selezionare gli eventi. Alcuni studi hanno selezionato eventi di La Niña al di sotto di 20.5°C (Domeisen et al. 2015) o 20.7 deviazioni standard (SD) (Pozo-Vázquez et al. 2005), mentre altri studi hanno applicato soglie più elevate di 1 SD (Mitchell et al. 2011) o 1K (Free e Seidel 2009). Come discusso nell’introduzione, l’uso di soglie disuguali potrebbe portare a una gamma diversificata di risposte. Per affrontare questa questione, definiamo gli inverni di La Niña attraverso le anomalie SST standardizzate di novembre-dicembre-gennaio-febbraio (NDJF) dal dataset ERSSTv4 e per il periodo climatologico 1958-2012, considerando due soglie: 1 e 0.5 SD. Gli eventi di La Niña selezionati al di sotto di 1 SD saranno definiti eventi di La Niña forti (8 eventi), mentre gli eventi identificati al di sotto di 0.5 SD saranno chiamati eventi di La Niña estesi (20 eventi). La Tabella 1 elenca gli inverni di La Niña identificati da entrambe le soglie. Per confronto, abbiamo incluso gli inverni identificati da Free e Seidel (2009) e Butler e Polvani (2011), che hanno usato soglie di 1 e 0.5°C, rispettivamente. Il confronto mostra che per lo stesso periodo, l’uso delle anomalie SST o dei loro SD non cambia la selezione degli inverni di La Niña (vedi Tabella 1). I principali SSW sono identificati utilizzando i criteri definiti da Charlton e Polvani (2007). Le date centrali degli SSW che si sono verificati durante gli inverni di La Niña sono elencate nella tabella 1. Queste date centrali concordano con quelle trovate da Nishii et al. (2011) e Taguchi (2016), utilizzando la stessa rianalisi giapponese. Le differenze tra le rianalisi sulla rilevazione degli SSW sono già documentate (Charlton e Polvani 2007; Palmeiro et al. 2015) e non alterano i nostri risultati (non mostrati). La fase QBO è valutata utilizzando la media zonale della velocità del vento zonale a 50 hPa tra 5°S e 5°N, che è vicino al livello più favorevole per trovare il collegamento con l’NH identificato da Baldwin e Dunkerton (1998). Seguendo la definizione usata da Butler et al. (2016), le fasi QBO occidentali (westerly) e orientali (easterly) sono classificate quando la velocità media del vento zonale a novembre è sopra i 5 m/s (sotto i -25 m/s) (indicato nella Tabella 1).

La Tabella 1 elenca gli inverni di La Niña selezionati per questo studio, utilizzando soglie di -1 e -0.5 deviazioni standard (SD). Gli inverni di La Niña sono identificati secondo i criteri di due studi precedenti, uno di Free and Seidel (2009) e l’altro di Butler e Polvani (2011). Ogni studio ha utilizzato diverse soglie e periodi di analisi per identificare gli eventi di La Niña.

Nella tabella sono indicati i seguenti dettagli:

• Colonne con le date degli inverni di La Niña: Mostrano gli anni selezionati come inverni di La Niña secondo diverse soglie (-1 SD e -0.5 SD) per gli studi citati. Ogni colonna rappresenta una diversa combinazione di studio e soglia.
• Date centrali degli SSW (Sudden Stratospheric Warmings): Queste date rappresentano i momenti centrali degli eventi di riscaldamento stratosferico improvviso che sono stati osservati durante gli inverni di La Niña. Gli SSW possono avere un impatto significativo sul clima della troposfera e sono un fattore importante da considerare nell’analisi degli effetti degli inverni di La Niña.
• Fase QBO (Quasi-Biennial Oscillation): Questa colonna indica la fase della QBO, che può essere orientale (E) o occidentale (W). La QBO è un’oscillazione del vento equatoriale nella stratosfera e può influenzare la circolazione atmosferica globale.

Le annotazioni a piè di pagina nella tabella specificano che per il 2009/2010, a causa della ricorrenza tardiva di un SSW, per gli scopi di questo studio, quell’inverno è considerato un inverno senza SSW.

In generale, la tabella è utilizzata per mostrare come i diversi criteri di soglia influenzino la selezione degli eventi di La Niña e come tali eventi possano coincidere con importanti fenomeni atmosferici come gli SSW e le fasi della QBO, che sono cruciali per comprendere le implicazioni climatiche degli inverni di La Niña.

3. Risultati

a. Percorso stratosferico di La Niña

In questa sezione, viene analizzata la risposta agli eventi di La Niña forti (quelli identificati utilizzando la soglia di -1 SD). La Figura 1 mostra la media DJF di latitudine-pressione della temperatura media zonale (Fig. 1a) e del vento zonale medio zonale (Fig. 1b) composti per eventi forti di La Niña. Nei tropici, il segnale di La Niña è caratterizzato da un raffreddamento anomalo significativo (circa -0.7 K) nella troposfera e un riscaldamento anomalo significativo nella stratosfera inferiore. Queste anomalie di temperatura sono accompagnate da un indebolimento significativo dei getti subtropicali. Alle alte latitudini, appare un raffreddamento significativo (che raggiunge circa -3 K) nella stratosfera (da circa 300 a 10 hPa) insieme a un robusto rafforzamento dei venti zonali medi zonali che si estende nella troposfera e raggiunge la superficie. Il modello di temperatura significativo osservato è stato anche riprodotto nelle simulazioni di modello da Calvo et al. (2010). I risultati robusti valgono per le rianalisi NCEP–NCAR (Kalnay et al. 1996) e ERA (ERA-40 per 1958–78 e ERA-Interim per 1979–2012) (Uppala et al. 2005; Dee et al. 2011) per lo stesso periodo (non mostrato).

Le anomalie identificate significative della temperatura zonale media stratosferica e dei venti sono indicative di un vortice polare forte e freddo, la cui evoluzione durante l’inverno è rappresentata nella Figura 2, mediata da 70° a 90°N per la prima e da 50° a 70°N per la seconda. Un’ispezione dettagliata della Figura 2 rivela una propagazione verso il basso delle anomalie dalla stratosfera superiore all’inizio dell’inverno alla stratosfera più bassa e alla troposfera alla fine dell’inverno (gennaio-febbraio). Il carattere su larga scala delle anomalie è dimostrato dalle anomalie significative dei venti zonali medi zonali (Fig. 2b), che raggiungono la superficie a gennaio e febbraio, in equilibrio termico del vento con i modelli di temperatura.

La Figura 2 mostra anche l’evoluzione dell’indice NAM, che è una misura compatta della forza del vortice (Baldwin e Dunkerton 2001) e del collegamento stratosfera-troposfera. L’indice NAM (Fig. 2c) mostra valori positivi significativi (colori rossi) che riflettono un vortice forte, che è amplificato nella stratosfera inferiore e mostra uno sviluppo temporale in linea con le anomalie di temperatura e vento (Fig. 2a,b).In sintesi, durante gli eventi forti di La Niña si osserva una robusta risposta stratosferica polare, sotto forma di un vortice polare più forte e più freddo che raggiunge la superficie. È interessante notare che i nostri risultati si basano su un archivio dati che include due eventi in più (gli ultimi due eventi degli inverni 2007/08 e 2010/11) rispetto agli studi precedenti (Free e Seidel 2009; Mitchell et al. 2011), i quali non hanno riscontrato un segnale robusto nella stratosfera polare inferiore e nella troposfera nonostante avessero utilizzato la stessa soglia (-1 SD). Pertanto, con la cautela di un dataset ancora breve e l’incertezza del campionamento, suggeriamo che l’uso di un dataset più lungo aiuti a catturare un segnale stratosferico significativo negli inverni di La Niña forti. Infatti, gli studi che hanno riportato un segnale superficiale sull’Europa per La Niña hanno analizzato periodi vicini ai 100 anni (Moron e Gouirand 2003; Pozo-Vázquez et al. 2005).

Di conseguenza, l’impatto superficiale della risposta stratosferica identificata sopra l’Artico e la regione NAE è illustrato nella Figura 3, per la media di gennaio-febbraio, quando è stato osservato il segnale più grande alla superficie (Fig. 2). La regione artica mostra anomalie di pressione al livello del mare (SLP) negative mentre appaiono anomalie SLP positive sulla regione NAE (Fig. 3a). Le anomalie sono di circa -8 hPa sul minimo islandese e +4 hPa sull’alta pressione delle Azzorre, che assomigliano a una fase positiva della NAO. È degno di nota che queste anomalie sono dello stesso ordine (ma opposto nel segno) di quelle trovate in risposta agli eventi di El Niño da Cagnazzo e Manzini (2009) nei dati di rianalisi. In coerenza con le anomalie di SLP, si osserva un riscaldamento anomalo significativo alla superficie su Europa settentrionale e centrale (Fig. 3b). Il valore maggiore (3 K) si registra sulla Scandinavia. Il modello simile alla NAO positiva è correlato a una diminuzione delle precipitazioni sulla regione mediterranea e un aumento delle precipitazioni sulla Scandinavia (Fig. 3c). Il modello di precipitazioni è simile a quello trovato da Pozo-Vázquez et al. (2005), che lo avevano già collegato agli eventi di La Niña e a una fase positiva della NAO. La novità del nostro studio è che riveliamo il ruolo della stratosfera nella risposta invernale della NH a La Niña. Pertanto, i nostri risultati indicano che gli eventi forti di La Niña potrebbero essere utili quanto gli eventi di El Niño per migliorare la prevedibilità stagionale invernale sull’Europa.

La Figura 1 presenta le sezioni trasversali di latitudine-pressione della media di DJF delle anomalie medie zonali mensili di (a) temperatura e (b) vento zonale per eventi forti di La Niña (soglia di -1 SD). Queste figure sono utilizzate per visualizzare come le condizioni tipiche di La Niña influenzino la temperatura e i venti zonali attraverso diverse latitudini e altitudini nella atmosfera.

Dettagli della Figura 1:

• Panello (a) – Temperatura (Tbar (8)):
  • Contorni di temperatura: intervalli di 0.3, 0.5, e 0.7 K fino a +1 K e ogni 1 K successivamente. I contorni solidi rappresentano anomalie positive, mentre i contorni tratteggiati indicano anomalie negative.
  • Colorazione: Le aree colorate indicano le regioni dove le anomalie sono statisticamente significative al livello di confidenza del 90%. Le aree con puntinatura indicano significatività al livello del 95%.
  • Interpretazione: Le regioni colorate al polo mostrano un raffreddamento significativo nello strato dalla superficie fino a circa 300 hPa, con riscaldamento significativo nella stratosfera bassa sopra i tropici, indicando un forte vortice polare e una stratificazione termica alterata durante gli eventi di La Niña.
• Panello (b) – Vento Zonale (Ubar (8)):
  • Contorni del vento zonale: intervalli di ±1 m/s fino a ±2 m/s e ogni 2 m/s successivamente. Anche qui, i contorni solidi indicano anomalie positive e i tratteggiati anomalie negative.
  • Colorazione e significatività: Analogamente al panello di temperatura, le aree colorate e/o con puntinatura mostrano dove le anomalie di vento sono statisticamente significative.
  • Interpretazione: Le anomalie positive (indicando un aumento della velocità del vento) predominano nella stratosfera alta e si estendono verso la troposfera alta a latitudini polari, supportando l’osservazione di un vortice polare più forte durante La Niña.

Le cifre tra parentesi (“(8)”) indicano il numero di inverni inclusi in ciascuna composizione, che in questo caso è otto, rafforzando la robustezza dei risultati presentati.

In conclusione, questa figura illustra come, durante forti eventi di La Niña, sia la temperatura che i venti zonali subiscano cambiamenti significativi, contribuendo alla comprensione delle dinamiche atmosferiche globali collegate a questi eventi.

La Figura 2 presenta una serie di compositi che mostrano l’evoluzione giornaliera delle medie zonali delle anomalie di temperatura, vento zonale e indice NAM (North Atlantic Oscillation Modulation Index) da dicembre a marzo per inverni caratterizzati da forti eventi di La Niña (soglia di -1 SD).

Dettagli della Figura 2:

• Panello (a) – Anomalie di temperatura (Tbar) a latitudini tra 70°N e 90°N:
  • Contorni di temperatura: intervalli di 0.5 K fino a +1 K e ogni 1 K successivamente. I contorni solidi indicano anomalie positive e i tratteggiati anomalie negative.
  • Colorazione e significatività: Le aree colorate rappresentano regioni dove le anomalie sono statisticamente significative al livello del 90%. Le aree con puntinatura indicano significatività al livello del 95%.
  • Interpretazione: Mostra un significativo raffreddamento nel corso dell’inverno nella stratosfera superiore e nella parte alta della troposfera, con la propagazione di queste anomalie di temperatura verso il basso verso la fine dell’inverno.
• Panello (b) – Anomalie del vento zonale (Ubar) a latitudini tra 50°N e 70°N:
  • Contorni del vento zonale: intervalli di ±1 m/s fino a ±2 m/s e ogni 2 m/s successivamente. Anche qui, i contorni solidi rappresentano anomalie positive e i tratteggiati anomalie negative.
  • Colorazione e significatività: Simile al pannello della temperatura, con aree colorate e puntinate che mostrano dove le anomalie di vento sono significative.
  • Interpretazione: Evidenzia un rafforzamento del vento zonale nella stratosfera media e alta durante i mesi invernali, suggerendo un rafforzamento del vortice polare.
• Panello (c) – Indice NAM:
  • Intervallo di contorno: 0.2. I contorni solidi denotano valori positivi e i tratteggiati valori negativi dell’indice NAM.
  • Interpretazione: L’indice NAM mostra valori positivi significativi (colori), indicando un vortice polare più forte e un accoppiamento stratosfera-troposfera influenzato durante i periodi di La Niña forti.

Questi grafici insieme mostrano come forti eventi di La Niña influenzino l’atmosfera dalla stratosfera alla troposfera durante i mesi invernali, indicando cambiamenti significativi sia nelle temperature che nei venti zonali, insieme a una forte modulazione dell’indice NAM. Tali dati sono cruciali per comprendere le dinamiche atmosferiche globali collegate a La Niña e il loro impatto sul clima delle regioni settentrionali.

b. Meccanismi Dinamici
Ora che abbiamo dimostrato la robusta risposta della La Niña nella stratosfera polare e nella regione NAE, ci occupiamo dei meccanismi dinamici che portano a questi segnali. Nella stratosfera inferiore, la temperatura è principalmente dominata dalla dissipazione delle onde planetarie che depositano momento angolare modulando il flusso medio e la circolazione meridionale media. Il flusso di Eliassen-Palm (EP) e la sua divergenza sono misure della propagazione e della dissipazione delle onde planetarie, rispettivamente. La climatologia mostra che le onde planetarie si propagano verso l’alto e vengono rifratte verso l’equatore nella stratosfera superiore. I valori negativi della divergenza del flusso EP indicano le regioni dove le onde depositano momento zonale. Durante gli eventi di La Niña forti, si osserva un flusso EP anomalo verso il basso nella troposfera e in tutta la stratosfera. Le anomalie nella divergenza del flusso EP sono positive nella stratosfera e significative nella regione superiore. Questi risultati indicano che durante gli inverni di La Niña forti, la propagazione e la dissipazione ondulatoria verso l’alto sono ridotte nella stratosfera polare, il che porta a un vortice polare più forte. Questo comportamento nell’interazione onda-flusso medio durante La Niña era già stato mostrato in un esperimento di modello, ma questa è la prima volta che viene trovato nei dati di ri-analisi.

Per fornire ulteriori dettagli sul meccanismo legato alla mancanza di attività ondulatoria che penetra nella stratosfera, ci concentriamo sul flusso di calore meridionale medio zonale delle eddy, che è il principale contributore alla componente verticale del flusso EP. Seguendo un approccio precedente, abbiamo analizzato il flusso di calore anomalo, che evidenzia come il vento meridionale e la temperatura si discostano dalla media zonale, influenzando così la media complessiva.

Le sottoindicazioni c e a rappresentano la climatologia e l’anomalia giornaliera. Il primo termine sul lato destro corrisponde al termine di interferenza che tiene conto dell’interferenza tra le onde stazionarie climatologiche e le onde anomale. Il secondo termine è il termine del pacchetto d’onda anomalo e riflette l’attività dell’onda anomala stessa.

La figura 5 mostra il flusso totale di calore meridionale eddy anomalo a 100 hPa per la media NDJ media tra 45° e 75°N compostata per gli inverni forti di La Niña (grigio) e neutri (giallo). La sua decomposizione nei termini di interferenza e pacchetto d’onda anomalo appare nelle figure 5b e 5c, rispettivamente. I valori corrispondenti sono riassunti nella Tabella 2.

Gli inverni neutri sono definiti come inverni senza eventi El Niño o La Niña, con specifiche soglie per assicurare che gli anni neutri non includano alcun segnale ENSO. Per entrambi gli inverni forti di La Niña e neutri, il flusso di calore meridionale eddy anomalo è negativo, indicando che in entrambi i casi l’attività ondulatoria ascendente è ridotta rispetto alla climatologia. Tuttavia, la grandezza del flusso totale di calore anomalo è molto maggiore durante gli inverni di La Niña rispetto agli inverni neutri.

È interessante notare che la decomposizione in termini differenti rivela il contributo di diversi fattori durante gli inverni neutri e forti di La Niña. Durante gli inverni forti di La Niña, il termine di interferenza rappresenta la maggior parte del flusso di calore eddy anomalo, e questo termine di interferenza è statisticamente diverso dallo stesso termine durante gli inverni neutri. Per gli inverni neutri, il termine totale del flusso di calore meridionale eddy anomalo è dominato dal termine del pacchetto d’onda anomalo. Quindi, gli inverni forti di La Niña sono caratterizzati da una grande riduzione nell’attività ondulatoria ascendente attraverso l’interferenza distruttiva tra le onde planetarie anomale e le eddies climatologiche.

Nishii et al. (2010) hanno investigato la risposta stratosferica polare associata alla teleconnessione del Pacifico occidentale e hanno riferito di un’interferenza distruttiva tra l’onda anomala e la climatologia, che precede un raffreddamento stratosferico polare. Hanno scoperto che questa interferenza distruttiva era principalmente dominata dalla temperatura eddy climatologica calda e dalla componente meridionale del vento eddy equatoriale sopra il Mare di Bering e l’Alaska a 100 hPa, contribuendo negativamente al flusso di calore meridionale eddy anomalo.

Anche durante gli inverni forti di La Niña, questo meccanismo è il principale contributore al termine di interferenza. Abbiamo riprodotto l’analisi fatta da Nishii et al. (2010) per gli inverni forti di La Niña, mostrando la temperatura eddy climatologica calda e la componente meridionale del vento eddy a 100 hPa. Durante gli inverni forti di La Niña, prima di un raffreddamento stratosferico polare, il vento meridionale eddy anomalo è diretto verso l’equatore sopra l’Alaska e la regione del Mare di Bering, dove la temperatura eddy è climatologicamente calda.

Questa interferenza anomala è associata al pattern delle onde troposferiche nelle anomalie dell’altezza geopotenziale eddy, mostrate in figura. Un dipolo di anomalie è osservato sopra il nord-est del Pacifico e il Nord America, caratterizzato da significative anomalie negative sopra il Nord America e grandi anomalie positive significative sopra l’Oceano Pacifico settentrionale. Queste anomalie positive si estendono verso il nord-ovest del Pacifico, portando a un debole ciclone delle Aleutine.

In sintesi, l’analisi condotta qui spiega l’origine del percorso stratosferico presentato nella sezione precedente attraverso meccanismi dinamici coerenti. Durante gli inverni forti di La Niña, un debole ciclone delle Aleutine anomalo conduce a una soppressione dell’attività ondulatoria ascendente anomala nella stratosfera, tramite l’interferenza distruttiva tra le onde stazionarie anomale e climatologiche, che a sua volta rafforza il vortice polare stratosferico.

La Figura 3 presenta proiezioni su longitudine e latitudine in formato polare, mostrando dati compositi delle medie di gennaio-febbraio per gli inverni forti di La Niña. Le mappe visualizzano tre principali variabili climatiche:

a) SLP (Pressione a Livello del Mare): Le variazioni di pressione, espresse in Pascal (hPa), sono rappresentate con un codice colore che indica aree di significativa alterazione con un livello di confidenza del 90% e del 95%. Le regioni in blu scuro denotano un aumento significativo della pressione, mentre le aree in marrone indicano una diminuzione significativa.

b) Temperatura superficiale (CRU): Le fluttuazioni di temperatura sono indicate in gradi Kelvin (K), con colorazioni che mostrano aree di cambiamento significativo, seguendo gli stessi livelli di confidenza della mappa precedente. Le zone colorate in blu rappresentano un abbassamento significativo della temperatura, mentre le zone in giallo/arancione indicano un innalzamento.

c) Precipitazioni (CRU): Questa mappa illustra le variazioni nelle precipitazioni, misurate in millimetri (mm). Analogamente alle altre mappe, le colorazioni evidenziano cambiamenti significativi. Le aree in blu indicano un incremento delle precipitazioni, e quelle in marrone una diminuzione.

Queste mappe sono essenziali per analizzare gli impatti climatici associati ai forti inverni di La Niña, offrendo una visione d’insieme su come variano pressione, temperatura e precipitazioni a scala globale in risposta a questo fenomeno climatico.

La Figura 4 illustra le sezioni trasversali latitudine-pressione della media NDJ del flusso di Eliassen-Palm (EP) e della divergenza del flusso EP per gli inverni forti di La Niña, evidenziando due aspetti distinti:

a) Climatologia (a sinistra): Questa parte della figura mostra il flusso EP, rappresentato da frecce, e la sua divergenza, indicata da linee di contorno. Le frecce visualizzano la direzione e la magnitudine del trasporto delle onde atmosferiche, mentre le linee di contorno descrivono la dissipazione dell’energia delle onde, con zone di contorni più densi che indicano una maggiore attività di dissipazione.

b) Anomalie per forti inverni di La Niña (a destra): Questo pannello mette in luce le deviazioni rispetto alla climatologia. Le frecce indicano il flusso EP anomalo e le linee di contorno rappresentano la divergenza anomala del flusso EP, segnalando differenze significative rispetto alla mappa climatologica a sinistra.

Le linee di contorno sono impostate ai livelli di 0.05, 0.1, 0.5, 1, 2, 5, 10, 15 e 20 m s^-1 giorno^-1, che rappresentano diversi gradi di divergenza del flusso EP, da valori molto bassi a molto alti. Queste linee aiutano a visualizzare le regioni dove le onde sono più fortemente dissipate nell’atmosfera.

La scala delle frecce, indicata in alto a sinistra, mostra le dimensioni di 5×10^6 kg s^-2 per la climatologia e di 5×10^5 kg s^-2 per le anomalie, facilitando la quantificazione del trasporto di momento ed energia dovuto alle onde nella atmosfera. Frecce più grandi indicano un trasporto maggiore.

In sintesi, questa figura è fondamentale per comprendere come il trasporto e la dissipazione delle onde atmosferiche variano durante gli inverni di La Niña forti, illustrando sia le condizioni medie sia le deviazioni significative da queste condizioni.

La Figura 5 illustra la risposta del flusso di calore meridionale eddy anomalo a 100 hPa durante gli inverni neutri e quelli forti di La Niña, con i dati mediati per i giorni di novembre, dicembre e gennaio (NDJ) tra i 45° e i 75° di latitudine nord. La figura è suddivisa in tre pannelli:

a) Flusso totale di calore meridionale eddy anomalo (a): Presenta il flusso totale per inverni neutri (giallo) e forti di La Niña (grigio). Durante gli inverni di La Niña, il flusso mostra valori leggermente negativi, indicando una riduzione dell’attività ondulatoria ascendente rispetto alla norma. Nei periodi neutri, il flusso è essenzialmente neutro, mostrando poca o nessuna variazione significativa rispetto al comportamento climatologico.

b) Contributo del termine di interferenza (b): Illustra l’effetto del termine di interferenza tra le onde climatologiche stazionarie e le onde anomale. Durante gli inverni di La Niña, il contributo è fortemente negativo, riflettendo una forte interferenza distruttiva che sopprime l’attività delle onde. Durante i periodi neutri, il contributo è minimo, indicando una scarsa o nulla interferenza.

c) Contributo del termine del pacchetto d’onda anomalo (c): Mostra l’effetto del pacchetto d’onda anomalo. Durante gli inverni di La Niña e nei periodi neutri, questo contributo è minimale e vicino a zero, suggerendo che le anomalie nelle onde non hanno un impatto predominante.

Le barre di errore in ciascun grafico rappresentano i limiti di confidenza inferiore e superiore per la media, al 95% di intervallo di confidenza, mostrando l’incertezza associata a ciascuna stima.

In conclusione, la Figura 5 è fondamentale per visualizzare come il flusso di calore meridionale eddy anomalo e i suoi componenti specifici varino tra gli inverni neutri e quelli forti di La Niña, evidenziando i diversi meccanismi dinamici coinvolti.

c. Sensibilità alla soglia de La Niña I risultati presentati sollevano la questione del perché studi precedenti non abbiano identificato risposte robuste simili. Nell’introduzione è stato menzionato che l’uso di una soglia inferiore è una metodologia comune adottata in altri studi per permettere una maggiore dimensione del campione. Successivamente, indaghiamo l’importanza della soglia nel determinare una risposta robusta agli eventi de La Niña. Per fare ciò, definiamo eventi de La Niña estesi quando le anomalie della temperatura superficiale del mare (SSTA) standardizzate nella regione N3.4 sono inferiori a 0,5 deviazioni standard (gli eventi sono elencati nella Tabella 1). La Figura 7 mostra i grafici di dispersione delle anomalie SSTA NDJF standardizzate dell’indice Niña-3.4 rispetto alle anomalie del vento zonale medio zonale a 10 hPa per la media tra 50° e 70°N (Fig. 7a) e le anomalie della temperatura della calotta polare tra 70° e 90°N a 50 hPa (Fig. 7b). È evidente una chiara relazione tra le anomalie SST degli eventi La Niña estesi e la risposta stratosferica polare. Il coefficiente di correlazione tra l’indice La Niña esteso e le anomalie del vento zonale medio zonale DJF è r = -0,56, indicando che più forti sono gli eventi La Niña, più forte è il vortice polare. Analogamente, il coefficiente di correlazione per la temperatura è r = 0,53; ossia, più forti sono gli eventi La Niña, più fredde sono le anomalie stratosferiche. Un coefficiente di correlazione simile è stato ottenuto per gli eventi La Niña forti, comparabile ai coefficienti trovati da Free e Seidel (2009) per entrambe le fasi dell’ENSO. Notabilmente, la Figura 7 mostra che l’adattamento lineare attraversa lo zero molto vicino alla soglia di -1 deviazione standard, supportando l’uso di questa soglia per definire gli inverni de La Niña forti. La Figura 8 (a sinistra) mostra la composizione latitudine-pressione degli inverni de La Niña estesi per la temperatura media zonale DJF (Fig. 8a) e il vento zonale medio zonale (Fig. 8d), simile alla Fig. 1. Non sorprendentemente, la magnitudine del raffreddamento troposferico all’equatore è leggermente inferiore nella composizione degli inverni de La Niña estesi rispetto agli eventi de La Niña forti (0,5 vs 0,7 K). Differenze sono osservate anche nella stratosfera tropicale più bassa, dove il riscaldamento è sostanzialmente minore e non significativo negli inverni de La Niña estesi. Allo stesso modo, nella stratosfera polare le risposte medie zonali in termini di temperatura e vento zonale sono molto più deboli e non significative, in accordo con studi precedenti che hanno utilizzato la stessa soglia. Pertanto, questi risultati suggeriscono che la soglia di -0,5 deviazioni standard non è adeguata per estrarre la risposta de La Niña nella circolazione stratosferica. Questa interpretazione è supportata dai risultati del grafico di dispersione (Fig. 7), dato che gli eventi più deboli mostrano una maggiore dispersione per la risposta stratosferica.Questo potrebbe essere dovuto al fatto che gli eventi de La Niña estesi semplicemente non sono abbastanza forti per generare una risposta stratosferica polare, o perché, anche se sono in grado di modulare lo stratosfero polare, i loro segnali più deboli sono mascherati da altre fonti di variabilità. Proseguiamo indagando quest’ultima possibilità. La principale perturbazione dello stratosfero polare deriva dall’occorrenza degli SSW (Riscaldamenti Stratosferici Improvvisi). Per investigare il ruolo degli SSW sulla risposta de La Niña, separiamo gli inverni de La Niña estesi in quelli con e senza SSW (Fig. 7). È notevole che gli inverni con SSW sono prevalentemente associati a anomalie negative del vento e temperature più calde, mentre gli inverni senza SSW sono collegati a venti più forti e temperature più fredde. Le frequenze degli inverni con almeno un SSW, tra novembre e febbraio, sono simili per gli inverni de La Niña forti ed estesi, rispettivamente 0,50 e 0,55. Le anomalie della temperatura media zonale e del vento zonale medio zonale per gli inverni de La Niña estesi con e senza SSW sono mostrate nella Fig. 8. Durante gli inverni de La Niña estesi con SSW, si osserva un significativo riscaldamento nella stratosfera polare bassa accompagnato da venti zonali medi zonali negativi. Questo comportamento è opposto a quello mostrato durante gli eventi de La Niña forti e riflette l’occorrenza degli SSW. Al contrario, quando gli inverni de La Niña estesi senza SSW sono analizzati, appare un robusto raffreddamento e significative anomalie positive del vento zonale nella stratosfera polare, simili al modello ottenuto per gli eventi de La Niña forti. La magnitudine delle anomalie è persino maggiore rispetto a quella osservata in eventi forti, ma a differenza di questi ultimi, le significative anomalie del vento zonale medio zonale non penetrano nella troposfera. Analizzando gli inverni de La Niña forti senza SSW appare un forte raffreddamento significativo, circa 28 gradi. Questi eventi forti dominano anche la firma degli eventi de La Niña estesi senza SSW.

Nella troposfera tropicale, la firma fredda osservata per gli eventi de La Niña forti è presente anche negli inverni de La Niña estesi, sia con che senza SSW, anche se durante gli inverni con SSW questo segnale è più debole e il raffreddamento anomalo non raggiunge i 20,5 gradi. Infatti, la composizione delle anomalie SST nella regione N3.4 durante gli eventi de La Niña estesi con SSW è inferiore e statisticamente differente rispetto al valore ottenuto per gli inverni de La Niña estesi senza SSW. Quindi, le anomalie SST del Pacifico tropicale sono in media più deboli per gli eventi de La Niña estesi con SSW rispetto a quelli senza SSW. Tuttavia, in entrambi i casi, la risposta tropicale nella troposfera è un raffreddamento anomalo, che non può spiegare da solo i segni opposti trovati nella stratosfera polare durante gli eventi de La Niña estesi con o senza SSW. Pertanto, è chiaro che gli SSW svolgono un ruolo rilevante nella modulazione del segnale stratosferico polare osservato per gli inverni de La Niña estesi, che è caratterizzato da un raffreddamento robusto.

Per comprendere meglio il ruolo degli SSW durante gli inverni de La Niña, la Figura 9 estende la Figura 5b, includendo il termine di interferenza per gli eventi de La Niña estesi e per gli inverni de La Niña forti ed estesi con e senza SSW. Gli eventi de La Niña estesi mostrano un contributo di interferenza negativo ma piccolo, non statisticamente differente rispetto agli inverni neutri, in linea con i risultati di precedenti studi utilizzando una simulazione del modello. La divisione degli inverni de La Niña estesi in inverni con e senza SSW fornisce informazioni aggiuntive. Durante gli inverni de La Niña estesi senza SSW, il termine di interferenza è negativo, indicativo di una ridotta attività ondulatoria ascendente e simile a quella durante gli inverni de La Niña forti. Invece, durante gli inverni de La Niña estesi con SSW, il contributo dell’interferenza al flusso di calore anomalo è positivo, riflettendo un’attività ondulatoria ascendente anomala in questo caso.

Il contributo dei termini di interferenza e del pacchetto d’onda anomalo al flusso di calore anomalo totale è molto diverso durante gli inverni de La Niña estesi con e senza SSW. Mentre il termine di interferenza domina durante gli inverni de La Niña estesi senza SSW, il contributo del termine del pacchetto d’onda anomalo è maggiore nel caso degli inverni de La Niña estesi con SSW. Questo è coerente con l’analisi di precedenti studi, che hanno scoperto che il termine di interferenza era più importante nei composti con valori di flusso di calore inferiori.In sintesi, il segnale de La Niña è legato a un’interferenza distruttiva tra le onde planetarie climatologiche e anomale. Tuttavia, un’interferenza costruttiva si verifica quando si verificano gli SSW, supportando la nostra ipotesi che il segnale stratosferico polare osservato durante gli eventi de La Niña estesi con SSW rifletta il comportamento degli SSW. Per aggiungere coerenza alle nostre conclusioni, abbiamo rappresentato i termini di interferenza e le anomalie dell’altezza geopotenziale per gli inverni de La Niña estesi con e senza SSW (Fig. 10). Durante gli inverni de La Niña estesi con SSW, il vento eddico meridionale anomalo sopra l’Alaska e la regione del Mare di Bering è verso il polo (valori positivi), mentre è verso l’equatore durante gli inverni de La Niña estesi senza SSW, portando rispettivamente a interferenza costruttiva e distruttiva.

Si notano anche differenze nelle anomalie dell’altezza geopotenziale eddico troposferico. Durante gli inverni de La Niña estesi senza SSW si osserva un dipolo anomalo, simile a quello trovato durante gli inverni de La Niña forti, anche se le anomalie positive si estendono più a nord-ovest e sono più deboli. Durante gli inverni de La Niña estesi con SSW, il dipolo è spostato verso est; le anomalie positive sono confinate a latitudini inferiori e non raggiungono la regione del Mare di Bering e dell’Alaska. Infatti, Garfinkel et al. (2012) hanno identificato questa regione come un precursore degli SSW, tale che le anomalie negative dell’altezza geopotenziale sono state rilevate lì prima dell’occorrenza degli SSW, portando a un vortice più debole. L’interferenza delle anomalie negative dell’altezza geopotenziale prima degli SSW insieme alle anomalie positive associate agli inverni de La Niña risulta in anomalie non significative in questa regione. Pertanto, la mancanza di una risposta stratosferica polare durante gli inverni de La Niña estesi potrebbe essere correlata a un problema di campionamento, poiché il rapporto segnale-rumore è notevolmente ridotto a causa dell’occorrenza degli SSW.

Oltre all’influenza degli SSW, l’ispezione delle anomalie del vento zonale medio zonale nei tropici rivela che anche il QBO potrebbe giocare un ruolo nella modulazione del segnale stratosferico durante gli inverni de La Niña estesi. Durante gli inverni de La Niña estesi con SSW, si mostrano anomalie del vento di levante all’equatore, mentre i venti di ponente sono osservati durante gli inverni de La Niña senza SSW. La fase QBO per ogni inverno de La Niña esteso indica che gli SSW si verificano nell’83% degli inverni EQBO e sono assenti nel 73% degli inverni WQBO. Dunkerton et al. (1988) avevano già notato che gli SSW non sono propensi a verificarsi durante la fase WQBO.

Tuttavia, le percentuali ottenute durante gli inverni de La Niña estesi sono ridotte quando consideriamo l’intero arco di 55 inverni: gli SSW (no SSW) si verificano nel 61% (61%) degli inverni nelle fasi EQBO (WQBO). Similmente alla sottocategoria eseguita nella Figura 8, la classificazione degli inverni de La Niña estesi nelle fasi EQBO e WQBO mostra anche anomalie stratosferiche polari significative e opposte (non mostrate), ma tale divisione EQBO/WQBO è strettamente correlata all’occorrenza/assenza degli SSW. Sfortunatamente, il limitato archivio di reanalisi ostacola un’analisi più approfondita sulla relazione tra gli SSW e le fasi del QBO durante gli inverni de La Niña. Nonostante ciò, possiamo determinare che le modulazioni indotte dagli SSW/QBO del vortice polare sono sufficientemente forti da nascondere il segnale de La Niña quando viene selezionata una soglia bassa (20,5 SD). D’altra parte, la risposta stratosferica polare agli eventi de La Niña forti (21 SD) è robusta, anche se il segnale nella stratosfera tropicale è debolmente positivo, suggerendo una debole predominanza di WQBO (Fig. 1b), ma non è statisticamente significativa. Infatti, la classificazione degli eventi de La Niña forti nelle fasi invernali EQBO e WQBO suggerisce, nonostante il campione limitato, nessuna predominanza del segnale QBO sulla firma stratosferica forte de La Niña (non mostrato).

La Tabella 2 illustra il flusso di calore eddico meridionale anomalo totale e la sua decomposizione nei termini di interferenza e di pacchetti d’onda anomali per vari tipi di inverni caratterizzati da condizioni neutre e eventi de La Niña, con e senza la presenza di SSW (riscaldamenti stratosferici improvvisi). I valori sono espressi in unità di flusso di calore.

1. Categorie di Inverni:
   • Neutral: Rappresenta i valori medi durante gli inverni senza significative anomalie climatiche.
   • Strong La Niña: Include gli inverni contrassegnati da forti eventi de La Niña.
   • Strong La Niña SSW/No SSW: Distingue tra gli inverni de La Niña forti con la presenza e l’assenza di SSW.
   • Extended La Niña: Inverni con eventi de La Niña estesi, caratterizzati da una soglia di anomalia più bassa.
   • Extended La Niña SSW/No SSW: Simile alla categoria precedente ma differenziata dalla presenza o assenza di SSW.
2. Interazioni Dinamiche:
   • Il termine totale mostra l’effetto cumulativo delle anomalie sul flusso di calore meridionale.
   • Il termine di interferenza quantifica l’effetto delle interazioni tra onde climatiche e anomale, sottolineando come questi fenomeni possano influenzare il trasporto di calore nell’atmosfera.
   • Il termine del pacchetto d’onda anomalo indica il contributo delle anomalie specifiche delle onde atmosferiche al flusso di calore.
3. Osservazioni Chiave:
   • Gli inverni Strong La Niña tendono a mostrare un forte impatto negativo sul flusso di calore, specialmente in assenza di SSW, come evidenziato da un termine di interferenza molto negativo.
   • In contrasto, gli inverni Extended La Niña con SSW esibiscono un termine di interferenza quasi neutro e un marcato contributo positivo dal termine del pacchetto d’onda anomalo, suggerendo un aumento dell’attività delle onde durante la presenza di SSW.
   • Le differenze tra i termini di interferenza nei contesti con e senza SSW sono notevoli, riflettendo l’influenza significativa degli SSW sulla dinamica atmosferica durante gli eventi de La Niña.

Questa tabella fornisce una comprensione dettagliata di come vari fenomeni atmosferici e oceanici interagiscano e modulino il clima durante gli inverni influenzati da eventi de La Niña e dalla presenza di SSW, offrendo insight cruciali per studi climatici avanzati.

La Tabella 2 illustra il flusso di calore eddico meridionale anomalo totale e la sua decomposizione nei termini di interferenza e di pacchetti d’onda anomali per vari tipi di inverni, incluse condizioni neutre e eventi de La Niña, con e senza la presenza di SSW (riscaldamenti stratosferici improvvisi). I valori sono espressi in unità di flusso di calore.

1. Categorie di Inverni:
   • Neutral: Valori medi durante inverni senza significative anomalie climatiche.
   • Strong La Niña: Inverni con intensi eventi de La Niña.
   • Strong La Niña SSW/No SSW: Distinzione tra inverni de La Niña forti con la presenza o assenza di SSW.
   • Extended La Niña: Inverni con eventi de La Niña estesi, caratterizzati da una soglia di anomalia ridotta.
   • Extended La Niña SSW/No SSW: Ulteriore distinzione per gli inverni de La Niña estesi in base alla presenza o assenza di SSW.
2. Termini Analizzati:
   • Termine Totale: Indica l’effetto cumulativo delle anomalie sul flusso di calore meridionale.
   • Termine di Interferenza: Quantifica l’effetto delle interazioni tra onde climatologiche e anomale, riflettendo l’impatto di tali interazioni sul trasporto di calore nell’atmosfera.
   • Termine del Pacchetto d’Onda Anomalo: Misura il contributo specifico delle anomalie delle onde atmosferiche al flusso di calore.
3. Osservazioni Principali:
   • Gli inverni Strong La Niña mostrano un significativo impatto negativo sul flusso di calore, in particolare in assenza di SSW, evidenziato da un termine di interferenza fortemente negativo.
   • Gli inverni Extended La Niña con SSW presentano un termine di interferenza quasi neutro e un notevole contributo positivo dal termine del pacchetto d’onda anomalo, indicando un aumento dell’attività delle onde in presenza di SSW.
   • Le differenze tra i termini di interferenza nei contesti con e senza SSW sono rilevanti, riflettendo l’influenza significativa degli SSW sulla dinamica atmosferica durante gli eventi de La Niña.

Questa tabella offre una comprensione approfondita di come vari fenomeni atmosferici e oceanici interagiscano e modulino il clima durante gli inverni influenzati da eventi de La Niña e dalla presenza di SSW, fornendo dati cruciali per avanzati studi climatici e meteorologici.

La Figura 7 presenta due grafici di dispersione che esaminano le relazioni tra l’indice Niña-3.4 SSTA e le variabili climatiche durante gli inverni caratterizzati da eventi de La Niña.

Pannello a) Anomalie del Vento Zonale a 10 hPa

• Asse X: Mostra l’indice Niña-3.4 SSTA, misurato in deviazioni standard (SD), che indica l’intensità degli eventi de La Niña.
• Asse Y: Rappresenta le anomalie del vento zonale zonale medio tra i 50° e 70° nord. I valori vanno da -20 a +20 m/s.
• Rappresentazione dei Dati: Gli inverni con almeno un SSW sono indicati con punti neri, mentre gli inverni senza SSW con triangoli.
• Linea Rossa: Indica il fit lineare per gli eventi de La Niña sotto -0.5 SD.
• Linee Verticali Tratteggiate: Denotano le soglie di -1 e -0.5 SD per identificare gli eventi de La Niña.
• Coefficiente di Correlazione (R = -0.56): Indica una correlazione negativa moderata tra l’intensità de La Niña e le anomalie del vento zonale.

Pannello b) Anomalie della Temperatura Zonale a 50 hPa

• Asse X: Identico al pannello a.
• Asse Y: Visualizza le anomalie della temperatura zonale media tra i 70° e i 90° nord. I valori variano tra -10 e +10 K.
• Linea Rossa e Linee Verticali: Simili al pannello a.
• Coefficiente di Correlazione (R = -0.53): Mostra una correlazione negativa moderata tra l’intensità de La Niña e le anomalie di temperatura.

Significato Generale

Questi grafici evidenziano come le anomalie associate agli eventi de La Niña influenzino significativamente altri aspetti climatici, quali i venti zonali e la temperatura nella stratosfera. Si osserva che eventi de La Niña più intensi tendono ad essere correlati a venti zonali più deboli e temperature più basse nelle latitudini polari, il che potrebbe avere implicazioni importanti per la circolazione atmosferica globale e fenomeni come i riscaldamenti stratosferici improvvisi (SSW). Questa analisi fornisce intuizioni cruciali sulle interazioni tra le dinamiche oceaniche e atmosferiche durante eventi climatici estremi.

La Figura 8 illustra sei grafici che rappresentano le medie di temperatura e velocità del vento zonale durante gli inverni caratterizzati da eventi de La Niña estesi, suddivisi in base alla presenza o assenza di SSW (riscaldamenti stratosferici improvvisi).

Grafici di Temperatura Media (TBar):

• Pannello a) TBar (All): Mostra la temperatura media per tutti gli inverni de La Niña estesi (soglia di -0.5 SD).
• Pannello b) TBar (SSW): Temperatura media per gli inverni con almeno un SSW.
• Pannello c) TBar (noSSW): Temperatura media per gli inverni senza SSW.

Grafici di Velocità Media del Vento Zonale (UBar):

• Pannello d) UBar (All): Rappresenta la velocità media del vento zonale per tutti gli inverni de La Niña estesi.
• Pannello e) UBar (SSW): Velocità del vento zonale per gli inverni con SSW.
• Pannello f) UBar (noSSW): Velocità del vento zonale per gli inverni senza SSW.

Dettagli dei Pannelli:

• Contorni e Colori: I contorni mostrano i livelli di temperatura e vento, mentre i colori indicano le aree di significatività statistica.
• Densità del Punto: I punti blu indicano zone con dati significativi, sottolineando regioni con anomalie statisticamente rilevanti.
• Scala di Pressione: L’asse verticale mostra la pressione atmosferica da 1000 hPa (vicino alla superficie) a 10 hPa (alta stratosfera).
• Latitudine: L’asse orizzontale varia da -30° a 90°, evidenziando come le caratteristiche cambiano dall’equatore verso il polo.

Importanza e Implicazioni:

Questi grafici sono cruciali per comprendere le differenze nelle condizioni atmosferiche durante gli inverni de La Niña estesi, analizzando come la presenza di SSW possa influenzare le temperature e i venti a diverse latitudini e altitudini. Le anomalie possono avere implicazioni significative per la circolazione atmosferica globale e per i pattern meteorologici locali e regionali, contribuendo a una migliore comprensione e previsione degli effetti dei cambiamenti climatici e dei fenomeni meteorologici estremi.

La Figura 9 mostra un diagramma a barre che rappresenta il contributo medio dell’interferenza al flusso di calore eddico meridionale anomalo, misurato a 100 hPa tra i 45° e i 75° nord durante i mesi di novembre, dicembre e gennaio. Le barre sono suddivise per diversi tipi di inverni legati a eventi de La Niña e la presenza di SSW (riscaldamenti stratosferici improvvisi).

Gruppi Analizzati:

• Neutrale (giallo): Medie per inverni senza significative anomalie climatiche.
• La Niña forte (grigio; soglia di -1): Medie per inverni con forti eventi de La Niña.
• La Niña forte con SSW (viola): Medie per inverni con eventi de La Niña forti che includono almeno un SSW.
• La Niña forte senza SSW (marrone): Medie per inverni con eventi de La Niña forti senza SSW.
• La Niña estesa (verde; soglia di -0.5): Medie per inverni con eventi de La Niña estesi.
• La Niña estesa con SSW (arancione): Medie per inverni con eventi de La Niña estesi che includono SSW.
• La Niña estesa senza SSW (blu): Medie per inverni con eventi de La Niña estesi senza SSW.

Interpretazione delle Barre e Barre degli Errori:

• Le barre indicano il contributo medio dell’interferenza al flusso di calore, con valori negativi che indicano una riduzione e valori positivi un aumento del flusso di calore.
• Le barre degli errori rappresentano l’intervallo di confidenza al 95%, fornendo una stima dell’affidabilità delle medie.

Significato dei Risultati:

• I contributi di interferenza variano notevolmente tra i diversi tipi di inverni. In particolare, gli inverni neutri mostrano un impatto minimo, mentre gli inverni de La Niña tendono a esibire un contributo negativo.
• La presenza di SSW nei casi de La Niña forte e estesa sembra influenzare significativamente il contributo dell’interferenza, a volte mitigando gli effetti negativi osservati negli inverni senza SSW.

Questa figura è essenziale per comprendere come le varie configurazioni climatiche e fenomeni come gli SSW influenzino il flusso di calore nell’atmosfera superiore durante gli inverni influenzati da La Niña, evidenziando l’importanza di considerare questi eventi nell’analisi dei cambiamenti climatici e meteorologici.

La Figura 10 presenta quattro mappe che illustrano le anomalie climatiche durante gli inverni de La Niña estesi, suddivise in base alla presenza o assenza di SSW (riscaldamenti stratosferici improvvisi). Le mappe sono organizzate per mostrare sia le anomalie di temperatura che quelle dell’altezza geopotenziale, a due diversi livelli della stratosfera.

Dettagli delle Mappe:

• Pannelli a) e c) – Inverni de La Niña estesi con SSW:
  • Pannello a) Mostra le anomalie del vento e della temperatura a 100 hPa.
  • Pannello c) Mostra le anomalie dell’altezza geopotenziale a 500 hPa.
• Pannelli b) e d) – Inverni de La Niña estesi senza SSW:
  • Pannello b) Anomalie del vento e della temperatura a 100 hPa.
  • Pannello d) Anomalie dell’altezza geopotenziale a 500 hPa.

Interpretazione delle Mappe:

• Colorazione: I colori rappresentano le anomalie di temperatura (pannelli a e b) e le anomalie dell’altezza geopotenziale (pannelli c e d), con il blu che indica valori inferiori alla media e il rosso valori superiori alla media.
• Contorni: Indicano le anomalie del vento e dell’altezza geopotenziale, con linee continue per valori positivi e tratteggiate per valori negativi.
• Significatività Statistica: Le aree ombreggiate mostrano dove le anomalie sono statisticamente significative.

Osservazioni Chiave:

• Effetti dei SSW: La presenza di SSW può alterare significativamente le condizioni atmosferiche tipiche degli inverni de La Niña. Nei pannelli con SSW (a e c), si notano variazioni più estreme e significative delle temperature e dell’altezza geopotenziale.
• Confronto tra SSW e noSSW: Comparando i pannelli a e b, c e d, emerge che gli SSW possono avere un impatto sostanziale sulla distribuzione delle temperature e delle pressioni atmosferiche durante gli inverni de La Niña.

Questa figura aiuta a comprendere come gli eventi di SSW influenzino le condizioni climatiche durante gli inverni de La Niña estesi, evidenziando le variazioni significative sia nelle temperature che nelle dinamiche atmosferiche a diversi livelli della stratosfera.

4. Riepilogo e discussione

Questo studio rivela un percorso stratosferico per La Niña e le sue teleconnessioni nella regione NAE, utilizzando la rianalisi JRA-55 e il dataset CRU. Con 55 anni di dati di rianalisi, abbiamo riscontrato un vortice polare stratosferico significativamente forte e freddo durante i forti eventi di La Niña nell’Artico e anomalie positive sulla regione NAE. Queste anomalie incrementano l’avvezione di aria calda dall’Oceano Atlantico Nord verso l’Europa, risultando in un riscaldamento anomalo nell’Europa settentrionale e centrale, mentre una riduzione delle precipitazioni è osservata nell’area mediterranea e un incremento delle precipitazioni sopra la Scandinavia. La nostra analisi rivela anche il meccanismo dietro a questo percorso: un significativo indebolimento anomalo del minimo delle Aleutine, che provoca un’interferenza distruttiva tra le onde stazionarie climatologiche e quelle anomale di La Niña. Ciò conduce a una ridotta attività di onde che si propagano verso l’alto nella stratosfera e a un’indebolita forzatura delle onde, rafforzando il vortice polare. In breve, abbiamo stabilito un collegamento stratosferico tra le anomalie troposferiche nei tropici e le anomalie nella regione NAE durante gli inverni di forte La Niña. Di conseguenza, simili ma non identiche agli eventi di El Niño, i nostri risultati suggeriscono che gli eventi forti di La Niña potrebbero essere rilevanti per migliorare la prevedibilità stagionale sull’Europa. Inoltre, spieghiamo la mancanza di una risposta robusta di La Niña nella stratosfera riportata in precedenti studi osservativi e di rianalisi; le influenze concorrenti degli eventi di SSW e il QBO durante gli eventi prolungati di La Niña portano a una risposta non significativa nella stratosfera polare. Di conseguenza, concludiamo che una soglia di 20,5 SD nell’indice N3.4 non è appropriata per ottenere le teleconnessioni atmosferiche di La Niña. Per questo motivo, raccomandiamo di definire gli eventi di La Niña con una soglia relativamente alta di 21 SD sull’indice N3.4. Allo stesso tempo, abbiamo anche notato che il nostro dataset più lungo include gli ultimi due eventi di La Niña, che non erano stati considerati in precedenza e sono caratterizzati da un forte raffreddamento stratosferico polare a metà inverno. Gli eventi sono definiti come quelli con un indice N3.4 NDJF inferiore a 21 SD. Queste anomalie zonali medie stratosferiche sono successivamente propagate verso il basso, dalla stratosfera superiore a fine dicembre alla troposfera in gennaio-febbraio, quando raggiungono la superficie. L’impatto conseguente sulla superficie presenta un robusto modello di anomalie negative di SLP sopra la regione.

Relativamente alla relazione tra gli eventi di La Niña e l’occorrenza di SSW, le frequenze di occorrenza degli SSW per inverno, definite da novembre a marzo, sono di 0,88 e 0,70 per gli eventi di La Niña forti ed estesi (si noti che più di un SSW si verifica durante alcuni inverni di La Niña). Tali frequenze sono simili alla frequenza degli SSW nei inverni di El Niño (0,76) e superiori rispetto agli inverni neutri (0,44). Pertanto, non abbiamo riscontrato una frequenza ridotta di occorrenza degli SSW durante gli inverni di La Niña rispetto agli inverni di El Niño o neutri, in accordo con lo studio di Butler e Polvani (2011). Tuttavia, è notevole che gli eventi di La Niña forti selezionati in questo studio siano principalmente correlati all’occorrenza di SSW verso la fine dell’inverno. Durante gli inverni di La Niña forti, cinque dei sette SSW registrati si sono verificati a fine inverno (oltre il 20 febbraio). Invece, durante gli inverni di La Niña estesi, si trova solo un ulteriore SSW a fine inverno (vedi Tabella 1). Questi risultati suggeriscono che la ridotta attività delle onde ascendenti legate agli eventi di La Niña forti potrebbe non inibire, ma ritardare a fine inverno l’occorrenza degli SSW. Tuttavia, a causa del breve periodo di rianalisi, questa ipotesi necessita di essere indagata in futuro mediante simulazioni di modelli a lungo termine.
Rispetto a studi precedenti basati su rianalisi, è importante notare che i nostri risultati suggeriscono un percorso stratosferico che non si concilia con quello definito da Butler et al. (2014). Mentre Butler et al. (2014) considerano attivo il percorso stratosferico solo quando si verifica uno o più SSW, noi abbiamo cercato un percorso stratosferico per La Niña, a prescindere dall’occorrenza degli SSW, e abbiamo scoperto che La Niña è associata a un forte vortice, che può avere anche un impatto sulla superficie (Baldwin e Dunkerton 2001). Inoltre, abbiamo trovato discrepanze nella rilevazione degli eventi di La Niña forti rispetto a quelli di Mitchell et al. (2011), che hanno anche utilizzato dati di rianalisi. Applicando la soglia di 21-SD, simile a quanto facciamo per gli eventi di La Niña forti, essi impongono che l’Anomalia della Temperatura della Superficie del Mare (SSTA) superi i 21 SD per almeno 3 mesi includendo dicembre. In questo modo, hanno identificato otto inverni di La Niña basati su HadISST nel periodo 1958–2002. Tuttavia, secondo la nostra selezione, basata sull’indice NCEP/CPC N3.4 e utilizzando un periodo più lungo per calcolare la climatologia, due di quegli inverni (1983/84 e 1984/85) non possono essere identificati come inverni di La Niña forti (le loro anomalie NDJF non raggiungono la soglia di 21-SD). Ciò significa che includono alcuni inverni di La Niña estesi nei loro compositi e il loro segnale significativo è confinato alla stratosfera superiore (vedi Mitchell et al. 2011, loro Fig. 6).

D’altra parte, gli studi di modellazione sulla risposta di La Niña nella stratosfera polare mostrano risultati contraddittori. I lavori pionieristici di modellazione di Sassi et al. (2004) e Manzini et al. (2006) hanno mostrato una risposta trascurabile a La Niña nella stratosfera polare, che non era statisticamente diversa dagli inverni neutri. Tuttavia, studi di modellazione più recenti hanno riportato un significativo raffreddamento stratosferico durante La Niña (Calvo et al. 2010) e un vortice forte robusto correlato alla soppressione della propagazione anomala ascendente (Li e Lau 2013). Nessuno di questi studi di modellazione ha indagato la possibilità di un effetto stratosferico sulla regione NAE, e dato che la dimensione dei nostri compositi è ancora ridotta, sarebbe interessante analizzare il ruolo della stratosfera nelle teleconnessioni troposferiche di La Niña nell’emisfero nord in simulazioni di modelli a lungo termine. Inoltre, tali simulazioni permetterebbero di valutare le interazioni tra le diverse fonti di variabilità rilevate qui, come l’occorrenza degli SSW e la fase del QBO e la loro modulazione sulle teleconnessioni di La Niña nella regione NAE. Infine, il potenziale di La Niña per migliorare le previsioni stagionali dovrebbe essere testato anche in simulazioni di modelli.