Timothy J. Dunkerton
Physical Dynamics, Inc., Bellevue, Washington, U.S.A.
Riassunto: È stata confermata l’esistenza di soluzioni per il flusso medio oscillante nel modello unidimensionale di Holton-Lindzen (1972). Queste soluzioni si manifestano alla presenza di una singola onda di Kelvin, diffusione del flusso medio e una forza zonale orientale costante per unità di massa in altezza e nel tempo. Tuttavia, questa costanza si interrompe nei punti del profilo tempo-altezza dove il flusso medio, integrato latitudinalmente, scende al di sotto di un valore predeterminato della forza zonale orientale. Tale forzamento rappresenta un modello semplificato per descrivere l’assorbimento delle onde di Rossby quasi-stazionarie lungo la linea del vento zero tropicale. I risultati ottenuti offrono un’interpretazione alternativa e più semplice dell’oscillazione quasi-biennale del vento zonale medio nella bassa stratosfera equatoriale.
1 Introduzione L’oscillazione quasi-biennale (QBO) nella bassa stratosfera equatoriale, osservata per la prima volta nei primi anni ’60, rimane uno dei fenomeni atmosferici più persistenti e inizialmente enigmatici. Tale fenomeno è stato dettagliatamente studiato da ricercatori come Veryard, Ebdon e Reed negli anni sessanta, successivamente recensito da Wallace e Holton negli anni ’70, e aggiornato da Coy alla fine di quel decennio. Diverse teorie sono state proposte per spiegare la QBO, ma quella di Holton e Lindzen del 1972 è emersa come la più influente. Questa teoria attribuisce le oscillazioni osservate alle accelerazioni del flusso medio indotte dalle onde equatoriali che si propagano verticalmente, in particolare le onde di Kelvin e Rossby-gravity.
Le principali caratteristiche di questa teoria, come esposte nei lavori successivi di Plumb e McEwan, includono:
- Le onde di Kelvin e Rossby-gravity che influenzano il flusso medio spingendolo verso le velocità di fase delle onde stesse.
- L’assorbimento dell’onda che avviene nella fase inferiore, permettendo all’onda opposta di accelerare il flusso superiore, creando una zona di taglio discendente.
- La necessità di una leggera diffusione del flusso medio per dissipare il getto del flusso più basso e permettere la ripetizione del ciclo alla presenza di forzamenti d’onda costanti.
- Il periodo dell’oscillazione, determinato dalle caratteristiche delle onde e del flusso medio, indipendente da forzamenti esterni periodici.
Nel corso degli anni, la teoria originale è stata perfezionata da vari studiosi, che hanno incluso fattori come la transitorietà delle onde, lo smorzamento radiativo dipendente dalla lunghezza d’onda, e l’importanza della circolazione meridionale media residua in modelli bidimensionali. Nonostante queste raffinatezze, il collegamento diretto tra la teoria di Holton-Lindzen e osservazioni specifiche rimane poco esplorato.
Questo lavoro si ispira a un’idea teorica avanzata precedentemente da Dickinson riguardante l’interazione critica delle onde planetarie. Inizialmente, si intendeva modellare l’accelerazione easterly come effetto dell’interazione di tali onde nel modello. Tuttavia, è emerso che le oscillazioni quasi-biennali potrebbero manifestarsi anche in assenza di onde Rossby-gravity, basandosi solo su una singola onda di Kelvin e diffusione del flusso medio. Queste osservazioni suggeriscono una dinamica interna del modello che supporta un significativo flusso easterly medio nella stratosfera e una zona di taglio easterly relativamente debole, in accordo con alcune osservazioni sperimentali.
Analisi delle Onde Rossby-Gravity: È stato identificato il bisogno di ulteriori ricerche per comprendere meglio il contributo relativo delle onde Rossby-gravity rispetto alle onde di Kelvin. In particolare, è emerso che il flusso di Eliassen-Palm associato alle onde Rossby-gravity è molto inferiore a quello delle onde di Kelvin, una discrepanza non considerata negli studi precedenti che assumevano flussi uguali ma in direzioni opposte.
Impatti dei Parametri del Modello: Attraverso una serie di esperimenti, è stato osservato che l’aggiustamento del parametro Go influisce significativamente sul periodo delle oscillazioni atmosferiche, che tende a ridursi fino a stabilizzarsi con l’aumento di Go. L’analisi ha anche rivelato che le zone di taglio orientale mostrano dinamiche complesse e a volte irrealistiche, legate alle interazioni con il livello critico delle onde Rossby-gravity.
Comportamenti e Correzioni del Modello: Le simulazioni hanno evidenziato che le zone di taglio orientale possono presentare comportamenti irregolari, che potrebbero essere mitigati considerando l’effetto dello shear latitudinale sulle onde Rossby-gravity. È emersa l’importanza di una calibrazione precisa dei parametri del modello per riflettere accuratamente i fenomeni atmosferici reali.
Sintesi e Prospettive Future: Le forze orientali derivanti sia dalle onde di Kelvin che dalle onde Rossby-gravity sembrano compatibili tra loro e capaci di indurre oscillazioni con periodi corretti se i parametri sono impostati correttamente. Ulteriori studi sono necessari per affinare i modelli e approfondire la comprensione dei meccanismi che influenzano le oscillazioni nelle zone di taglio orientale, ponendo particolare attenzione all’accuratezza e alla realistica rappresentazione dei processi atmosferici.
4 nella Fase di Accelerazione Orientale del QBO
La formula menzionata è un tentativo preliminare di comprendere le interazioni a livello critico nelle onde di Rossby stazionarie che si propagano lateralmente. Seguendo l’approccio di Holton e Lindzen, definiamo un’integrazione in latitudine. Questa integrazione tiene conto della latitudine in termini non dimensionali, come descritto nel lavoro di Holton del 1975. Le onde planetarie stazionarie raggiungono un punto critico nei tropici durante i solstizi, secondo studi del 1965. Le osservazioni di queste onde nella stratosfera suggeriscono che possano trasportare momento occidentale fuori dai tropici, agendo in un modo che suggerisce l’assorbimento a questo livello critico, come osservato in studi del 1973.
La teoria consueta sulle onde di Rossby, che sono lineari, costanti e conservative, indica una discontinuità nel flusso di momento a questo livello critico. Attraverso una stima integrata, si osserva che le condizioni sono simili su entrambi i lati del livello critico. Calcoli preliminari basati sui dati di Hamilton del 1982 indicano che nella bassa stratosfera tropicale dell’emisfero nord durante l’inverno, il flusso di momento è relativamente piccolo, tuttavia, significativo per influenzare i cicli quasi-biennali. Questo risultato, nonostante le incertezze, suggerisce che tali valori del flusso di momento sono consistenti con l’attivazione di cicli quasi-biennali, grazie anche alla presenza dell’onda di Kelvin e alla diffusione del flusso medio.
Le osservazioni attuali sono troppo limitate per confermare con certezza questi risultati. Tuttavia, la logica dietro la formulazione usata supporta l’ipotesi che, se la linea di zero vento funge da barriera alla propagazione laterale delle onde quasi stazionarie, le accelerazioni tropicali generate da queste onde sarebbero molto minori quando il flusso medio è orientale, rispetto a quando è occidentale. Inoltre, nel contesto di un’interazione tra onde e flusso medio che coinvolge onde di Rossby stazionarie, è possibile che il flusso medio rallenti notevolmente al di sotto del valore stazionario, suggerendo che il valore di cutoff integrato in latitudine potrebbe essere significativamente negativo.
Nel punto 1, viene assunto che l’integrazione latitudinale sia limitata solo alle latitudini tropicali. Questo permette alle onde di Rossby di esistere anche ad alte latitudini quando il flusso è orientale. Questa assunzione è giustificata dal decadimento esponenziale dell’ampiezza delle onde di Kelvin man mano che ci si allontana dall’equatore. Di conseguenza, nei modelli equatoriali unidimensionali, i flussi ad alta latitudine sono considerati irrilevanti, almeno come prima approssimazione, e ciò è coerente con le stime dell’ordine di grandezza di G.
Le variazioni a lungo termine nelle onde planetarie extratropicali, documentate in studi come quelli di Wallace e Newell (1966) e Holten e Tan (1980), mostrano cambiamenti nell’ampiezza dell’onda e nel flusso di momento che sono complessi e non sembrano direttamente correlati al QBO come indicato dalla parametrizzazione iniziale. Sebbene tentativi siano stati fatti per modellare il QBO basandosi su flussi di momento orizzontale che variano quasi-biennalmente, le variazioni a lungo termine extratropicali, se statisticamente significative, sono probabilmente influenzate dai venti medi extratropicali, che svolgono un ruolo cruciale nelle dinamiche delle onde extratropicali.
Una serie di analisi condotte dal National Meteorological Center, esaminate da Hamilton nel 1982, fornisce un certo supporto a queste osservazioni, sebbene il periodo di tempo considerato sia troppo breve per trarre conclusioni statisticamente significative. È stato osservato che il flusso di momento orizzontale nella stratosfera tropicale inferiore durante alcuni mesi selezionati tra il 1976 e il 1980 era notevolmente inferiore rispetto ad altri mesi tra il 1977 e il 1979. Questo periodo di flusso ridotto coincide con la fase orientale del QBO a queste altitudini, mentre i mesi con flusso maggiore corrispondono agli inizi e alle conclusioni della fase occidentale del QBO. Ulteriori osservazioni sono necessarie per valutare l’importanza di questi risultati e per determinare se questi flussi di momento siano associati con le onde quasi stazionarie.
Ricerche teoriche hanno inoltre supportato l’ipotesi che le onde di Rossby stazionarie possano giocare un ruolo significativo nella generazione di flussi orientali intensi, come osservato nei modelli unidimensionali che simulano il riscaldamento stratosferico improvviso. Questi effetti sono probabilmente il risultato di una combinazione di fattori, inclusa la natura temporanea delle onde e le caratteristiche specifiche del modello utilizzato. Tuttavia, è riconosciuto che un flusso medio in rallentamento può modificare la frequenza delle onde, influenzando così la dinamica complessiva del sistema.
Effetti delle interazioni del livello critico sul QBO: Considerazioni preliminari
Nel modello di Holton-Mass, l’effetto netto era marcato a causa della diminuzione della densità atmosferica con l’altitudine. Si prevede che questo effetto non sia altrettanto evidente nel problema laterale; tuttavia, Geisler e Dickinson hanno osservato nel 1974 accelerazioni orientali sul lato opposto di un livello critico iniziale, suggerendo che un valore approssimativo di cutoff potrebbe essere negativo anche in questo caso speciale.
Questi risultati qualitativi non dipendono dalle ipotesi di quasi-linearità presenti nei modelli di “onda-media”. McIntyre ha sottolineato implicitamente questo punto nel 1981 discutendo degli eventi di mescolamento del vortice potenziale in associazione con i riscaldamenti stratosferici improvvisi. Purtroppo, è difficile determinare dalla teoria quale dovrebbe essere un valore appropriato per il cutoff. Nella pratica, si osserva probabilmente una diminuzione più graduale di questo valore man mano che l’integrale latitudinale diventa negativo. La semplicità della parametrizzazione adottata qui è dovuta alla sua semplicità, nonostante le incertezze.
La scelta di questo parametro ha un impatto significativo sull’ampiezza della componente media del vento zonale nel modello. Come osservato da Dunkerton nel 1982, l’interazione tra le onde planetarie e il livello critico potrebbe spiegare il flusso medio orientale osservato nella bassa stratosfera. Si discuterà più avanti la sensibilità di questo modello a tali parametri.
Questo documento è da considerarsi preliminare e ulteriori studi saranno necessari per valutare il possibile ruolo delle interazioni del livello critico con le onde planetarie. È complicato discutere gli effetti laterali in un modello unidimensionale. Tuttavia, il modello teorico qui discusso è più semplice di quello di Holton e Lindzen, poiché coinvolge solo una modalità d’onda equatoriale fine. I modelli di circolazione generale esistenti potrebbero essere in grado di simulare l’oscillazione quasi-biennale, aggiungendo una subroutine ad alta risoluzione per le onde di Kelvin, necessaria per generare venti occidentali equatoriali nel modello. Sebbene alcuni di questi modelli includano già onde equatoriali, la risoluzione verticale attuale sembra inadeguata per modellare l’interazione delle onde di Kelvin con il flusso medio.
Emergono alcune difficoltà nell’interpretare la fase orientale del QBO come parzialmente dovuta alle interazioni del livello critico con onde che si propagano lateralmente:
- Se esiste, l’interazione del livello critico è dominata da una componente semestrale ai livelli superiori, quindi perché non si osserva un segnale semestrale nella regione del QBO?
- Presumibilmente, esisterebbe una certa propagazione laterale della fase orientale del QBO a causa di questo meccanismo; tuttavia, pochi progressi laterali di fase sono stati osservati.
- Qual è il ruolo relativo dell’onda Rossby-gravity nella fase di accelerazione orientale del QBO?
La sezione successiva cercherà di fornire risposte provvisorie a queste domande. L’obiettivo principale di questo documento, comunque, è dimostrare che è possibile stabilire oscillazioni nel modello unidimensionale alla presenza di una singola onda di Kelvin, diffusione del flusso medio e una forzatura orientale prescritta. Si osserva che l’onda di Kelvin è cruciale per simulare i venti occidentali assoluti nell’oscillazione. Studi precedenti sembrano non aver incluso questo elemento necessario, nonostante molti punti pertinenti fossero stati sollevati in quegli articoli.
2 Risultati del Modello e Discussione
Seguendo l’approccio di Holton e Lindzen (HL), il flusso medio integrato in latitudine è determinato da una formula specifica, anche se la divergenza dello stress dell’onda Rossby-gravity è stata omessa. Più avanti in questa sezione, discuteremo l’effetto di un contributo aggiuntivo. La densità dello stato base del modello segue una funzione esponenziale con l’altitudine, espressa in chilometri.
Il modello presume che gli effetti dello shear latitudinale sull’onda di Kelvin siano trascurabili e non considera la transitorietà dell’onda. Questo modello copre un intervallo verticale che va dai 17 ai 37 km, con incrementi verticali di 250 metri e incrementi temporali di un giorno. Le condizioni al contorno sono impostate a zero sia all’inizio che alla fine dell’intervallo di altitudine, e la condizione iniziale stabilisce che il vento zonale medio sia zero.
Un esempio mostrato nella figura 1 illustra che la componente media del vento zonale medio è stata rimossa a ogni livello per evidenziare altri dettagli. Nella simulazione, il vento medio parte da zero alla base, raggiunge circa -23 m/s a 20 km, diminuisce a circa -8 m/s a 25 km, e poi si stabilizza asintoticamente intorno a -18 m/s ai livelli più alti. È evidente che un’oscillazione può esistere anche senza una variazione di altitudine nella forzatura, sebbene nella realtà probabilmente ci sarebbe una certa dipendenza. L’intensità della forzatura dell’onda di Kelvin in questa simulazione è il doppio rispetto a quella nel modello di HL, tuttavia il periodo dell’oscillazione non è influenzato da variazioni di questa forzatura, come sarà mostrato più avanti.
A differenza del modello di HL, questa simulazione mostra una corretta asimmetria nella zona di taglio, che coinvolge il gradiente del vento nel profilo tempo-altitudine. In precedenza, Dunkerton aveva proposto che lo shear latitudinale potesse correggere questa asimmetria grazie ai suoi effetti sull’onda Rossby-gravity. La figura 1 propone una spiegazione alternativa per l’asimmetria osservata, caratterizzata da zone di taglio orientale relativamente deboli. Il fatto che la figura 1 mostri un’asimmetria corretta non sorprende, dato che è stata incorporata direttamente nella formulazione utilizzata nel modello.
Cosa è un po’ sorprendente, tuttavia, è che questo modello genera zone di taglio orientale discendenti. Con il senno di poi, vediamo che questo comportamento è attribuibile all’assorbimento dell’onda di Kelvin nella fase occidentale. Questo lascia il flusso di livello superiore sopra i venti occidentali libero di accelerare a causa di G. Poiché il livello di massimi venti occidentali è in discesa nel tempo, anche la zona di taglio orientale è permessa di scendere. Tuttavia, a differenza della zona di taglio indotta dall’onda Rossby-gravity di HL, non vi è un avvicinamento disastroso alle condizioni di livello critico orientale; invece, la fase di accelerazione orientale è molto graduale. Questo è una conseguenza della scelta della grandezza di Go. È importante avere un qualche ragionevole valore di cutoff vF, senza il quale il modello si avvicinerebbe asintoticamente a venti orientali irrealisticamente forti. Anche la diffusione del flusso medio è essenziale, come in HL, e per le stesse ragioni richieste da quegli autori (Plumb, 1977).
La forzante Go è assunta indipendente dal tempo in questa simulazione. Si potrebbe obiettare che Go mostrerebbe forti variazioni temporali nel mondo reale: una componente semestrale sorgerebbe a causa delle asimmetrie stagionali nell’accelerazione orientale, mentre una componente annuale potrebbe essere attribuita alle asimmetrie emisferiche osservate. Perché, ad esempio, non si osserva un segnale semestrale nella regione del QBO?
Si potrebbe ipotizzare con cautela che l’assenza di un segnale semestrale fornisca la prova che questa componente di G è relativamente piccola in questa regione. Si noti che, sebbene le onde planetarie estive siano evanescenti nella stratosfera (Charney e Drazin, 1961), esse sono comunque presenti, ed è concepibile che le accelerazioni del flusso medio dovute a queste onde potrebbero essere a livelli bassi leggermente inferiori, ma dello stesso ordine di grandezza, (1.5) durante le stagioni estive ed equinoziali. Segnaliamo anche che la forzante semestrale orientale richiesta alla stratopausa è G = O(- 2 m s^-1 giorno^-1) (Reed, 1966; Dunkerton, 1979). Il valore in (2.5b), che è 15 volte più piccolo di (2.6), non ci si aspetterebbe che generi una componente semestrale significativa nella regione del QBO.
**Probabilmente non è appropriato trascurare la possibile componente annuale in G. Trovo un po’ curioso che ci siano stati (e probabilmente continueranno ad esserci) tentativi di spiegare il QBO in termini di un ciclo esattamente biennale che occasionalmente “salta” dei battiti (ad esempio, van Loon e Rogers, 1982). Sebbene le prove a supporto di questa visione richiedano, a mio parere, un record osservativo più lungo, esiste la possibilità che qualsiasi tendenza del QBO a “sincronizzarsi” con il ciclo annuale, se reale, possa essere attribuibile a un ciclo stagionale nella forzante orientale. Le simulazioni numeriche possono mostrare una sincronizzazione in presenza di una forzante orientale periodica; queste sono discusse ulteriormente nell’Appendice.
Variazioni stagionali ed emisferiche nell’accelerazione QBO
È importante osservare che può esistere un’importante asimmetria stagionale ed emisferica nell’accelerazione, identificata come G, pur mantenendo una predominanza della componente media temporale. Consideriamo, ad esempio, un caso ipotetico in cui le accelerazioni durante l’estate e gli equinozi sono uguali, e i contributi delle onde emisferiche a G siano distribuiti in modo che quelli dell’emisfero nord siano il doppio di quelli dell’emisfero sud, e i contributi invernali siano il doppio di quelli estivi. In questa situazione, l’accelerazione totale varia seguendo una sequenza di 5, 3, 4, 3, iniziando dall’inverno del nord. In questo modello, un’asimmetria stagionale del rapporto 5:1 è necessaria affinché la componente semestrale raggiunga circa la metà del valore della media temporale. Tale rapporto è molto probabilmente riscontrabile nella stratosfera superiore e potrebbe parzialmente spiegare la fase orientale dell’oscillazione semestrale della stratopausa, sebbene l’avvezione orizzontale produca effetti simili.
Una seconda potenziale obiezione riguarda il ruolo dell’interazione del livello critico delle onde planetarie. Studi precedenti hanno trovato poche prove di una progressione di fase laterale nei venti e nelle temperature del QBO. Tuttavia, con l’interazione a livello critico, ci si aspetterebbe una qualche progressione laterale della fase orientale. Questo potrebbe significare che, in un’analisi armonica, la fase del QBO potrebbe manifestarsi leggermente prima nelle stazioni più lontane dall’equatore. Possiamo solo offrire possibili spiegazioni a questa complicata questione. Un commento simile può essere fatto riguardo alle oscillazioni semestrali della stratopausa, poiché si crede che i processi laterali siano responsabili della fase orientale. Le analisi armoniche mostrano poca o nessuna progressione di fase in latitudine, o addirittura una progressione di fase che si allontana dall’equatore.
Interessantemente, uno studio ha rilevato una progressione di fase in latitudine nell’oscillazione quasi-biennale dell’ozono nell’emisfero nord, ma non in quello sud. Questo potrebbe indicare o una progressione di fase laterale nel QBO dinamico nell’emisfero nord, ancora non osservata, o che i processi che influenzano il comportamento dell’ozono sono asimmetrici rispetto all’equatore a causa della circolazione troposferica, mentre le accelerazioni dovute alle onde equatoriali nella stratosfera tendono a diventare simmetriche. Quest’ultima possibilità implicherebbe la presenza di un’onda Rossby-gravity nella fase di accelerazione orientale del QBO. Potrebbe risultare che l’onda Rossby-gravity sia responsabile per la discesa largamente simmetrica della fase del QBO, mentre l’interazione del livello critico delle onde planetarie regola l’inizio complessivo della fase orientale.
Studi aggiornati, con dati più estesi ora disponibili da stazioni tropicali e subtropicali, potrebbero fornire nuove intuizioni sulla dinamica del QBO e sarebbero estremamente tempestivi.Dalle analisi emerge che sarà necessario approfondire, sia attraverso la teoria che osservazioni future, il contributo relativo delle onde Rossby-gravity, come già osservato in studi precedenti del 1966. Un dettaglio spesso trascurato è che, secondo studi del 1973, il flusso di Eliassen-Palm associato all’onda Rossby-gravity risulta essere notevolmente inferiore rispetto a quello dell’onda di Kelvin, anche se in studi successivi si è partiti dall’ipotesi che questi flussi fossero uguali ma opposti.
Abbiamo condotto una serie di esperimenti utilizzando un approccio che considera solo l’ammortizzazione termica e non include altri effetti. In questi esperimenti, il valore del flusso all’inizio dell’equatore è stato impostato uguale o inferiore a un valore di riferimento precedentemente stabilito. I risultati mostrano come il periodo di oscillazione vari in funzione delle forze applicate, evidenziando che non è stata rilevata alcuna oscillazione nei periodi di sette anni esaminati. Tuttavia, modificando progressivamente i valori delle forze lungo le direzioni indicate, è possibile osservare oscillazioni con periodi che si avvicinano a quelli quasi-biennali.
Interessante notare che, nella parte superiore del grafico, l’onda Rossby-gravity sembra avere un impatto minimo. Questo è dovuto al fatto che il flusso a basso livello nelle simulazioni è sempre inferiore alla velocità di fase dell’onda Rossby-gravity. In generale, il periodo di oscillazione rimane sorprendentemente costante, il che indica una buona compatibilità tra i due tipi di forzanti orientali.
Solo in un’area specifica del grafico, l’angolo inferiore destro, le oscillazioni mostrano un’asimmetria nella zona di taglio non conforme agli attesi. Inoltre, si osserva una zona di transizione tra i due tipi di oscillazioni nella parte destra del grafico, indicativa di un cambio nei comportamenti delle oscillazioni al di sopra e al di sotto di un determinato punto. Sopra questo punto, le oscillazioni sono simili a quelle osservate in un’altra figura di riferimento, mentre al di sotto, si riscontrano oscillazioni che presentano poco o nessun flusso medio temporale e un’asimmetria non corretta nella zona di taglio.
Questi due tipi di oscillazioni differiscono anche nella struttura dell’ampiezza verticale; in un caso l’ampiezza raggiunge il massimo vicino al confine inferiore, mentre nell’altro il massimo è molto più elevato, risultando più conforme alle osservazioni.
Questo studio evidenzia l’importanza di valutare accuratamente la velocità di fase delle onde Rossby-gravity. In altri esperimenti con parametri simili ma con diverse configurazioni, si è visto che le oscillazioni possono verificarsi finché il parametro che rappresenta la velocità non è troppo vicino allo zero, a meno che non si escludano completamente le onde Rossby-gravity, situazione in cui anche valori negativi di questo parametro possono generare un’oscillazione.Nel caso in cui l’indice di forzamento if sia uguale a zero, le oscillazioni si verificano solo alla presenza di onde Rossby-gravity. Questo fenomeno si osserva perché la velocità di fase dell’onda di Kelvin è molto vicina a zero. Quando si introducono le onde Rossby-gravity, si nota che il periodo delle oscillazioni diminuisce progressivamente all’aumentare del valore di Go, fino a stabilizzarsi attorno a un valore specifico di Go, dove le oscillazioni raggiungono uno stato stazionario. Queste oscillazioni mostrano una componente temporale media ridotta e una struttura inusuale nella sezione tempo-altezza. Le zone di taglio orientale evidenziano un approccio graduale verso zero a causa dell’interazione con il livello critico, seguito da un brusco e irrealistico avvicinamento alle condizioni di livello critico delle onde Rossby-gravity, simile a quanto osservato in precedenti studi. Questo comporta che le zone di taglio orientale siano caratterizzate da una debolezza alternata a momenti di intensa forza. Questo comportamento insolito potrebbe essere modificato includendo gli effetti dello shear latitudinale sulle onde Rossby-gravity, sebbene vi sia una certa base per mantenere un valore di if negativo anche in presenza di onde stazionarie.
In conclusione, le due tipologie di forzanti orientali si dimostrano generalmente compatibili e capaci, con ampiezze realistiche di una o entrambe, di generare oscillazioni con un periodo appropriato.
Di seguito un riassunto:
- Analisi delle Onde Rossby-Gravity: È stato identificato il bisogno di ulteriori ricerche per comprendere meglio il contributo relativo delle onde Rossby-gravity rispetto alle onde di Kelvin. In particolare, è emerso che il flusso di Eliassen-Palm associato alle onde Rossby-gravity è molto inferiore a quello delle onde di Kelvin, una discrepanza non considerata negli studi precedenti che assumevano flussi uguali ma in direzioni opposte.
- Impatti dei Parametri del Modello: Attraverso una serie di esperimenti, è stato osservato che l’aggiustamento del parametro Go influisce significativamente sul periodo delle oscillazioni atmosferiche, che tende a ridursi fino a stabilizzarsi con l’aumento di Go. L’analisi ha anche rivelato che le zone di taglio orientale mostrano dinamiche complesse e a volte irrealistiche, legate alle interazioni con il livello critico delle onde Rossby-gravity.
- Comportamenti e Correzioni del Modello: Le simulazioni hanno evidenziato che le zone di taglio orientale possono presentare comportamenti irregolari, che potrebbero essere mitigati considerando l’effetto dello shear latitudinale sulle onde Rossby-gravity. È emersa l’importanza di una calibrazione precisa dei parametri del modello per riflettere accuratamente i fenomeni atmosferici reali.
- Sintesi e Prospettive Future: Le forze orientali derivanti sia dalle onde di Kelvin che dalle onde Rossby-gravity sembrano compatibili tra loro e capaci di indurre oscillazioni con periodi corretti se i parametri sono impostati correttamente. Ulteriori studi sono necessari per affinare i modelli e approfondire la comprensione dei meccanismi che influenzano le oscillazioni nelle zone di taglio orientale, ponendo particolare attenzione all’accuratezza e alla realistica rappresentazione dei processi atmosferici.
La Figura 1 mostra una sezione trasversale tempo-altezza del vento zonale medio in una oscillazione quasi-biennale modellata con un’onda di Kelvin, diffusione del flusso medio, e una forzante orientale prescritta come descritto nel testo. Nella figura, la media temporale è stata rimossa a ogni livello per mettere in evidenza le variazioni.
Le aree ombreggiate indicano i venti occidentali. Le linee continue rappresentano intervalli di contorno di 20 m/s, mentre le linee tratteggiate rappresentano intervalli di contorno di -10 m/s. Questi contorni visualizzano la velocità e la direzione del vento zonale a diverse altezze e in diversi momenti.
È importante notare che, in questa simulazione del modello, non è stata inclusa alcuna onda Rossby-gravity. La simulazione illustra come i venti zonali varino nel tempo e con l’altitudine, evidenziando come la forzante orientale e la diffusione del flusso medio influenzino la dinamica dei venti senza il contributo delle onde Rossby-gravity.
La Figura 2 illustra il periodo di oscillazione inverso (misurato in anni^-1) come funzione della forza della forzante orientale prescritta (Go) e del flusso di Eliassen-Palm forzato dall’onda Rossby-gravity (BRG(17)).
Sull’asse orizzontale, il grafico mostra i valori di BRG(17) mentre sull’asse verticale sono rappresentati i valori di Go. Le linee curve nel grafico, etichettate con numeri quali 0.30, 0.35, 0.40, indicano contorni di uguali periodi di oscillazione inversi. Ad esempio, un valore di 0.40 indica un periodo di oscillazione di 2.5 anni (calcolato come 1 diviso 0.40).
La regione ombreggiata nell’angolo inferiore sinistro del grafico segnala che quando sia Go sia BRG(17) sono minimi, il modello tende a un stato stazionario, ovvero non si verificano oscillazioni. Similmente, uno stato stazionario è raggiunto anche quando i valori di Go o BRG(17) sono estremamente alti, sebbene questi casi non siano visualizzati nella figura.
I contorni tra 0.35 e 0.45 sono stati interpolati da 20 punti della griglia equamente spaziati sulla figura, basati su integrazioni di 7 anni. Questo dimostra che, variando la combinazione di Go e BRG(17), il periodo delle oscillazioni può cambiare significativamente, influenzando così la struttura verticale delle oscillazioni. Quest’ultima è discussa dettagliatamente nel testo associato alla figura, sottolineando come diverse configurazioni di forzanti influenzano il comportamento dinamico delle oscillazioni nel modello.
3 Conclusioni
Abbiamo identificato soluzioni di flusso medio oscillante nel modello unidimensionale HL utilizzando una singola onda di Kelvin, la diffusione del flusso medio e una forzante orientale che rimane costante, a meno che il flusso medio non superi un certo valore orientale predeterminato. Nonostante non sia necessaria l’onda Rossby-gravity per queste oscillazioni, la sua inclusione, come nel modello HL originale, si dimostra compatibile con la forzante orientale. Questa forzante è pensata per rappresentare in modo approssimativo le interazioni nei livelli critici delle onde planetarie che si propagano lateralmente. Tuttavia, la struttura dell’oscillazione dipende in modo significativo dalla predominanza della forzante orientale impiegata.
È importante sottolineare che l’ampiezza necessaria della forzante orientale, G, è notevolmente inferiore, di due ordini di grandezza, rispetto alle accelerazioni del flusso medio risultanti dalle onde planetarie nella stratosfera delle medie latitudini. È anche significativamente inferiore, almeno di un ordine di grandezza, rispetto alla forzante orientale semestrale richiesta nella stratopausa tropicale. Di conseguenza, la definizione di una “grande” forzante orientale varia a seconda della scala temporale considerata. In una scala quasi-biennale, accelerazioni dell’ordine di -0,1 m/s al giorno assumono una rilevanza notevole. Saranno necessarie osservazioni più precise per valutare le reali magnitudini di queste accelerazioni e le loro variazioni stagionali ed emisferiche.
Gli studi sull’interazione del livello critico delle onde planetarie quasi-stazionarie nei tropici, essenziali per la propagazione delle onde di Rossby nell’atmosfera media, non sono una novità. I risultati ottenuti indicano che la modellazione bidimensionale dell’oscillazione quasi-biennale potrebbe essere realizzabile con i modelli di circolazione generale esistenti, purché si tenga conto dell’onda di Kelvin. Anche se non è stato definitivamente dimostrato in questo studio, se l’onda Rossby-gravity non fosse il meccanismo principale nella fase di accelerazione orientale dell’oscillazione quasi-biennale, ciò implicherebbe significative conseguenze per altre aree della dinamica e del trasporto nella bassa stratosfera equatoriale, come la teoria della circolazione di Brewer-Dobson e l’oscillazione quasi-biennale dell’ozono. In conclusione, ci aspettiamo che l’onda di Kelvin svolga un ruolo cruciale anche in questi contesti.
https://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/07055900.1983.9649155
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