L’Oscillazione Quasi-Biennale (QBO)

Lo studio dal titolo “THE QUASI-BIENNIAL OSCILLATION”, condotto da M. P. Baldwin e colleghi, rappresenta un punto di riferimento fondamentale nello studio della Quasi-Biennial Oscillation (QBO), un fenomeno atmosferico periodico che si manifesta principalmente nella stratosfera equatoriale. La QBO è caratterizzata da inversioni regolari dei venti zonali (ovvero i venti che soffiano lungo le linee di latitudine) e influenza una serie di processi meteorologici e climatici di rilevanza globale. Nel lavoro in questione, gli autori approfondiscono i meccanismi dinamici che generano la QBO, l’importanza di questa oscillazione nelle interazioni tra atmosfera e clima, nonché le implicazioni della QBO sulle previsioni meteorologiche e sullo studio del cambiamento climatico.

La QBO si manifesta con un periodo medio di circa 28 mesi, durante il quale i venti stratosferici equatoriali passano ciclicamente da regime orientale a regime occidentale. Questa oscillazione, visibile in un intervallo di quote compreso tra circa 16 e 50 km (quindi tra la bassa stratosfera e la media stratosfera), si propaga verso il basso e genera variazioni significative nelle temperature e nelle circolazioni su vasta scala. Uno degli elementi centrali dello studio di Baldwin et al. è l’analisi delle forzanti dinamiche e fisiche che guidano l’inversione dei venti.

In particolare, gli autori mettono in evidenza il ruolo cruciale delle onde atmosferiche, tra cui le onde di gravità e le onde di Rossby, che vengono generate principalmente nella troposfera e si propagano verticalmente fino alla stratosfera. Queste onde cedono o sottraggono quantità di moto all’atmosfera, favorendo l’instaurarsi dei regimi di vento. Il bilancio delle forze che agiscono sulle masse d’aria, specialmente nella regione equatoriale, porta a un complesso meccanismo di “coppie di shear” nelle quali i venti subiscono un’inversione. Ciò significa che, dopo un certo periodo di regime occidentale, l’atmosfera inverte gradualmente la circolazione e passa a un regime orientale, o viceversa.

Un aspetto di grande rilievo discusso nello studio è l’impatto della QBO su fenomeni climatici come El Niño-Southern Oscillation (ENSO) e sul ciclo stagionale dell’ozono. Infatti, la variabilità della QBO può modulare la distribuzione dell’ozono stratosferico, influenzando di conseguenza l’energia radiante assorbita e la dinamica atmosferica a livello globale. Ad esempio, durante le fasi orientali o occidentali possono verificarsi differenze nella circolazione stratosferica, con effetti a catena anche nell’emisfero invernale di entrambe le latitudini.

Gli autori dedicano ampio spazio anche alla trattazione delle tecniche di osservazione: dati derivanti da palloni sonda, radar e satelliti hanno permesso di ricostruire i profili verticali dei venti e monitorare l’andamento della QBO nel tempo. Grazie a questi dati si è compreso che la QBO non è perfettamente “biennale” ma mostra una variabilità sia nel periodo (che oscilla tra i 22 e i 34 mesi) sia nell’intensità dei venti. Tale variabilità è a sua volta legata a fattori stagionali, a interazioni con processi su larga scala e a potenziali influssi di tipo solare (variazioni dell’irradianza solare e dell’attività geomagnetica).

Lo studio di Baldwin et al. sottolinea inoltre l’importanza di includere la QBO nei modelli climatici globali, poiché la corretta rappresentazione di questa oscillazione è cruciale per migliorare la previsione stagionale e substagionale. La QBO infatti svolge un ruolo determinante nella modulazione del trasporto di calore e momentum nelle regioni polari, influenzando la stabilità del vortice polare e potenzialmente la frequenza degli eventi meteorologici estremi alle alte latitudini.

Dal punto di vista teorico, la QBO è un banco di prova per lo studio dei processi di interazione onda-corrente media. Negli anni, sono stati sviluppati diversi modelli teorici e di simulazione numerica (ad esempio i modelli Gerber-Satoh) per riprodurre la struttura oscillatoria della QBO. Gli autori mostrano come la precisione dei modelli sia strettamente connessa alla capacità di risolvere adeguatamente la dinamica delle onde di gravità a piccola scala, ma anche di includere correttamente le forzanti troposferiche e gli effetti non lineari.

Un risultato di grande interesse discusso nello studio è la “prevedibilità” della QBO. Data la sua struttura periodica, e l’alternanza regolare dei regimi di vento, la QBO risulta essere uno dei fenomeni atmosferici con maggiore potenziale di predicibilità oltre la scala mensile. Ciò implica che le variazioni di venti e temperature a livello stratosferico possano essere previste con un certo anticipo, influenzando così le previsioni su vasta scala per numerose regioni del pianeta. Questa caratteristica è estremamente utile per la ricerca climatica e per l’agrometeorologia, poiché le fasi della QBO possono modulare la probabilità di fenomeni estremi come ondate di calore, siccità o periodi piovosi in aree sensibili, specialmente nei tropici.

Nel contesto dei cambiamenti climatici, il lavoro di Baldwin et al. discute anche possibili variazioni future della QBO in relazione al riscaldamento globale. Cambiamenti nella temperatura media planetaria, nella circolazione generale dell’atmosfera e nella concentrazione dei gas serra potrebbero potenzialmente modificare le ampiezze e i periodi della QBO. Alcuni studi successivi, ispirati dalle ricerche di questi autori, suggeriscono che la QBO potrebbe diventare più irregolare, presentando periodi oscillatori più variabili o addirittura subire interruzioni (QBO disruption) che in passato erano molto rare. Tali modifiche comporterebbero implicazioni considerevoli sullo stato della stratosfera e sulle previsioni climatiche stagionali.

In definitiva, il lavoro di Baldwin e colleghi rappresenta una pietra miliare negli studi sulla QBO, poiché offre una visione completa sia degli aspetti osservativi sia di quelli teorici e modellistici. La capacità di comprendere appieno la QBO e di integrarla correttamente nei modelli climatici è essenziale per raffinare le previsioni meteorologiche a breve e medio termine, per prevedere eventuali anomalie climatiche su scala stagionale o interannuale e per capire più a fondo il ruolo della stratosfera nelle dinamiche atmosferiche globali.

In sintesi, lo studio “THE QUASI-BIENNIAL OSCILLATION” di M. P. Baldwin et al. fornisce una base solida per chiunque voglia avvicinarsi allo studio di questa importante oscillazione stratosferica, spiegando i meccanismi fisici fondamentali, le tecniche di osservazione e le implicazioni climatiche della QBO. Grazie a una combinazione di dati osservativi, analisi teoriche e simulazioni numeriche, gli autori evidenziano l’estrema rilevanza della QBO nella comprensione dei processi atmosferici e nella previsione del clima su scala globale.

L’Oscillazione Quasi-Biennale: Una Revisione Comprensiva

Autori: M. P. Baldwin, L. J. Gray, T. J. Dunkerton, K. Hamilton, P. H. Haynes, W. J. Randel, J. R. Holton, M. J. Alexander, I. Hirota, T. Horinouchi, D. B. A. Jones, J. S. Kinnersley, C. Marquardt, K. Sato, M. Takahashi

Sommario: Predominante nella variabilità della stratosfera equatoriale, estendendosi dai 16 ai 50 km di altitudine, l’Oscillazione Quasi-Biennale (QBO) si manifesta attraverso la propagazione verticale di regimi di vento orientali e occidentali con un periodo medio di circa 28 mesi. La QBO rappresenta un esemplare studio di dinamica dei fluidi, caratterizzata da un flusso medio oscillante e coerente, alimentato da onde di periodi diversi rispetto all’oscillazione che ne risulta. Nonostante il suo carattere prevalentemente tropicale, la QBO modula il flusso stratosferico globale influenzando la dinamica delle onde extratropicali.

Lo studio della QBO è indissolubilmente legato all’analisi dei moti ondulatori atmosferici che ne determinano la dinamica e che, a loro volta, ne sono influenzati. In particolare, la QBO modula la variabilità atmosferica nella mesosfera, a circa 85 km di altitudine, filtrando selettivamente le onde che si propagano attraverso la stratosfera equatoriale e potrebbe anche influenzare l’intensità degli uragani nell’Atlantico.

Gli impatti della QBO si estendono oltre la mera dinamica atmosferica, influenzando la distribuzione di costituenti chimici come ozono, vapor d’acqua e metano, i quali subiscono variazioni a causa dei cambiamenti circolatori indotti dalla QBO. Anche numerosi altri costituenti chimici a vita breve mostrano segnali significativi correlati alla QBO. Attraverso la sua capacità di modulare la propagazione delle onde extratropicali, la QBO influisce sul processo di disgregazione dei vortici polari stratosferici invernali e sull’entità della deplezione dell’ozono in alta latitudine.

Il vortice polare stratosferico è una componente critica nel modellare i pattern meteorologici superficiali, fornendo un meccanismo attraverso cui la QBO può esercitare un’influenza significativa anche a livello della superficie terrestre. Con l’avanzamento e la maggiore disponibilità di dati, sia da misurazioni terrestri che satellitari, di temperatura e di vento, è possibile un’analisi sempre più precisa degli effetti della QBO.

Questa rassegna si propone di delineare lo stato attuale delle conoscenze relative alla QBO nella regione tropicale e i suoi effetti dinamici extratropicali, il trasporto di costituenti chimici e le implicazioni della QBO nella troposfera (da 0 a 16 km) e nella mesosfera (da 50 a 100 km). Il documento mira a fornire una panoramica dettagliata della QBO e delle sue implicazioni, utile sia per i neofiti del campo sia come punto di riferimento per gli specialisti. Sebbene la trattazione storica della ricerca sulla QBO sia solo brevemente accennata, si rimanda ai vari articoli di revisione storica per approfondimenti. Infine, viene fornito un compendio della teoria fondamentale della QBO, arricchito da riferimenti tutoriali per facilitare la comprensione e l’ulteriore esplorazione del fenomeno.

1. Introduzione

1.1 Scoperta dell’Oscillazione Quasi-Biennale

Le prime osservazioni significative dei venti nella stratosfera equatoriale emersero in seguito alla constatazione che i residui dell’eruzione del Krakatoa nel 1883 percorrevano il globo da est a ovest in circa due settimane. Questi venti furono successivamente denominati “easterlies del Krakatoa”. Per una trattazione più dettagliata della scoperta dell’oscillazione quasi-biennale e delle evoluzioni susseguenti in ambito osservativo e teorico, si rimanda ai lavori di Maruyama (1997) e Labitzke e van Loon (1999). Nel 1908, il meteorologo tedesco A. Berson, durante delle campagne di rilascio di palloni aerostatici dall’Africa tropicale, identificò correnti che si muovevano da ovest a est a circa 15 km di altitudine, presso la tropopausa, che vennero poi chiamate “westerlies di Berson”. Queste osservazioni sporadiche di palloni, documentate fino al 1958, sembravano contraddire l’esistenza di una configurazione di venti stratosferici equatoriali costituita da easterlies sopra i westerlies.

I termini meteorologici “easterlies” e “westerlies” descrivono rispettivamente i venti che provengono da est e da ovest. Va notato, tuttavia, che nella letteratura scientifica si utilizzano spesso le espressioni “eastward” e “westward” per indicare direzioni di flusso o propagazione delle onde, che paradossalmente hanno significati opposti rispetto agli aggettivi “easterly” e “westerly”. Nel corso di questa rassegna, verranno impiegate entrambe le terminologie conformemente alla letteratura di settore.

Fu solo nel 1954 che Palmer, analizzando i dati dei sondaggi dell’alta atmosfera raccolti per monitorare le ricadute dei test nucleari nelle Isole Marshall, osservò che la transizione tra i westerlies di Berson e gli easterlies del Krakatoa variava significativamente nel corso dei mesi e degli anni. Nonostante ciò, i dati raccolti si rivelarono insufficienti per delineare una chiara periodicità del fenomeno. Successivamente, nel 1959, Graystone analizzò due anni di dati di velocità del vento sull’Isola di Christmas (latitudine 2.08N), tracciando nel piano tempo-altitudine i regimi di vento easterly e westerly che mostravano una discesa graduale.

La scoperta della QBO è attribuibile agli studi indipendenti di R. J. Reed negli Stati Uniti e di R. A. Ebdon nel Regno Unito. Durante il quarantesimo anniversario della American Meteorological Society, tenutosi a Boston nel gennaio del 1960, Reed presentò uno studio intitolato “La circolazione della stratosfera”, in cui annunciava la scoperta, basata sui dati dei palloni lanciati da Canton Island (latitudine 2.88S). Reed descrisse la presenza di “bande alternate di venti easterly e westerly che si originano sopra i 30 km e si muovono verso il basso attraverso la stratosfera a una velocità di circa 1 km al mese”. Egli osservò inoltre che tali bande si manifestavano a intervalli di circa 13 mesi, con un ciclo completo di 26 mesi. Questa scoperta pionieristica aprì la strada a ulteriori ricerche sulla dinamica stratosferica e sulle sue implicazioni climatiche e meteorologiche a scala globale.Questo studio, successivamente documentato in Reed et al. [1961], si avvaleva anch’esso di dati provenienti da Canton Island, raccolti nel periodo 1954-1959, per evidenziare un’apparente periodicità biennale dell’oscillazione del vento. Un’ulteriore indagine di Ebdon e Veryard [1961], utilizzando dati aggiuntivi raccolti a Canton Island dal gennaio 1954 al gennaio 1960 a 50 hPa, ha dimostrato che le fluttuazioni del vento si manifestavano con un periodo di 25-27 mesi, piuttosto che con un ciclo esattamente biennale. Questa analisi estese le osservazioni precedenti ad altre stazioni equatoriali, concludendo che tali fluttuazioni del vento si verificavano simultaneamente lungo l’intera cintura equatoriale e che i regimi di vento, caratterizzati da direzioni easterly o westerly, impiegavano circa un anno per scendere da 10 a 60 hPa.

In un lavoro successivo, Veryard e Ebdon [1961] hanno prolungato lo studio, identificando un periodo dominante di 26 mesi e rilevando fluttuazioni simili anche nelle temperature atmosferiche. L’osservazione di un ciclo con un periodo più lungo, iniziato nel 1963, ha portato Angell e Korshover [1964] a coniare il termine “oscillazione quasi-biennale”, comunemente abbreviato in QBO, che è rapidamente entrato nell’uso comune.

Il contesto dinamico della QBO è illustrato efficacemente attraverso una sezione trasversale tempo-altezza della media mensile dei venti zonali equatoriali (longitudinali), rappresentata idealmente dal vento zonale medio zonale. Tuttavia, la simmetria longitudinale approssimativa della QBO, come sottolineato da Belmont e Dartt [1968], consente che le osservazioni rawinsonde provenienti da una singola stazione vicino all’equatore siano sufficienti per una rappresentazione accurata. I regimi di vento alternati si manifestano a intervalli che variano tra i 22 e i 34 mesi, con un periodo medio leggermente superiore ai 28 mesi. Le zone di taglio occidentale, caratterizzate da un incremento dei venti occidentali con l’altitudine, mostrano una discesa più regolare e rapida rispetto alle zone di taglio orientale. L’ampiezza, di circa 20 m/s, rimane quasi costante da 5 a 40 hPa ma decresce rapidamente sotto i 50 hPa. Le osservazioni rawinsonde sono impiegate fino a 10 hPa, mentre al di sopra di tale quota si utilizzano i rocketsonde. L’ampiezza della QBO si attenua fino a meno di 5 m/s a 1 hPa, vicino alla stratopausa. La distribuzione dell’ampiezza della QBO è approssimativamente gaussiana attorno all’equatore con una semilarghezza di 12 gradi e presenta poca dipendenza di fase dalla latitudine nei tropici, come documentato da Wallace [1973].

Nonostante la QBO non sia propriamente un’oscillazione biennale, esiste una tendenza a manifestare una preferenza stagionale nelle inversioni di fase, come osservato da Dunkerton [1990]. Ad esempio, l’inizio dei regimi di vento easterly e westerly si verifica principalmente durante la tarda primavera dell’emisfero nord al livello di 50 hPa. Le tre caratteristiche più notevoli della QBO che ogni teoria deve essere in grado di spiegare includono: 1) la periodicità quasi-biennale, 2) la presenza di venti occidentali zonalmente simmetrici all’equatore, il che implica che la conservazione del momento angolare non permette l’advezione media zonale per generare un massimo equatoriale di vento occidentale, e 3) la propagazione verso il basso senza perdita di ampiezza.

La figura illustrata comprende due pannelli distinti che rappresentano la sezione tempo-altezza del vento zonale equatoriale, con un focus sulla variazione mensile media e l’applicazione di un filtro desezionalizzato per i dati raccolti nel periodo tra il 1964 e il 1990.

Nel pannello superiore, è visualizzato il vento zonale equatoriale desezionalizzato su base mensile. Qui, i dati sotto i 31 km di altitudine derivano da osservazioni di radiosonde effettuate in varie stazioni equatoriali: specificamente, da Canton Island (2.88N, da gennaio 1964 ad agosto 1967), dalle Isole Gan/Maldive (0.78S, da settembre 1967 a dicembre 1975) e da Singapore (1.48N, da gennaio 1976 a febbraio 1990). Al di sopra dei 31 km, i dati provengono da rilievi effettuati tramite rocketsonde da Kwajalein (8.78N) e Ascension Island (8.08S). La scala di contorno è fissata a intervalli di 6 m/s, con le fasce tra i 23 e i 13 m/s lasciate non ombreggiate per evidenziare le velocità del vento predominanti in tale intervallo. Le regioni in rosso indicano la presenza di venti occidentali, ovvero venti che soffiano in direzione ovest.

Il pannello inferiore mostra i dati filtrati mediante un passa-banda per isolare i periodi che vanno dai 9 ai 48 mesi, evidenziando così le oscillazioni più rilevanti del vento zonale che cadono entro tale intervallo temporale. Questo approccio di filtraggio è fondamentale per sottolineare le dinamiche specifiche della Quasi-Biennial Oscillation (QBO), permettendo di distinguere questi cicli dalle altre variazioni atmosferiche che possiedono periodi più lunghi o più brevi.

Entrambi i grafici mostrano chiaramente le oscillazioni regolari dei venti che si muovono verticalmente attraverso il tempo, con fasce alternate di venti occidentali e orientali che scendono gradualmente. Questo schema evidenzia la tipica propagazione verso il basso delle oscillazioni dei venti nell’ambito della QBO, un fenomeno che si manifesta con cambiamenti periodici nella direzione dei venti equatoriali e la loro propagazione in altezza nel corso del tempo.

Questa rappresentazione visuale è cruciale per comprendere la dinamica dei venti equatoriali e la loro periodicità quasi-biennale, così come la modalità con cui questi cambiamenti si manifestano verticalmente nell’atmosfera terrestre.

La figura presentata offre una panoramica dinamica complessa dell’Oscillazione Quasi-Biennale (QBO) durante l’inverno boreale, focalizzandosi sui meccanismi di propagazione delle onde atmosferiche e sul loro impatto sulla struttura dei venti zonali equatoriali. Questa illustrazione è cruciale per comprendere le interazioni tra diverse tipologie di onde e i loro effetti sui cicli di vento nella stratosfera.

1. Propagazione delle Onde Tropicali: Le frecce arancioni delineano il percorso delle onde tropicali, inclusi i vari tipi come le onde di gravità, di gravità-inerzia, di Kelvin, e di Rossby-gravità. Queste onde si propagano verso l’alto dalla regione equatoriale e sono essenziali per la dinamica della QBO. Il loro movimento verso l’alto contribuisce significativamente alla modulazione dei venti zonali equatoriali, che è rappresentata dai dati raccolti a 40 hPa.

2. Impatto delle Onde su Scala Planetaria: Le frecce viola indicano la propagazione di onde su scala planetaria, che si verificano prevalentemente a medie e alte latitudini. Queste onde, pur essendo meno influenti direttamente sulla QBO rispetto alle onde tropicali, giocano un ruolo cruciale nella struttura della circolazione atmosferica generale, influenzando così indirettamente la dinamica equatoriale.

3. Anomalie dei Venti Zonali: I contorni neri visualizzati nella figura rappresentano le differenze nei venti zonali medi zonali tra le fasi orientali (easterly) e occidentali (westerly) della QBO. Questo è fondamentale per identificare come la QBO alteri la configurazione dei venti a seconda della sua fase. Le anomalie orientali sono rappresentate in color azzurro, indicando venti più freddi e lenti, mentre quelle occidentali sono in rosa, segnalando venti più caldi e veloci.

4. MQBO (Mesospheric Quasi-Biennial Oscillation): Al di sopra degli 80 km, la figura mostra la presenza della MQBO, estendendo il concetto della QBO fino alla mesosfera. I contorni dei venti tra circa 50 e 80 km sono tratteggiati, evidenziando l’incertezza delle osservazioni in questa regione, che rimane meno studiata rispetto alla stratosfera più bassa.

5. Indicatori degli Strati Atmosferici: La tropopausa e la stratopausa sono chiaramente marcate, definendo i confini verticali entro cui si verificano queste dinamiche atmosferiche. La comprensione di questi limiti è essenziale per analizzare la propagazione verticale delle onde e il loro impatto sugli strati atmosferici superiori e inferiori.

In sintesi, questa illustrazione dettagliata sottolinea il ruolo vitale delle onde tropicali e planetarie nella modulazione dei venti equatoriali e nella definizione dei cicli di QBO. Le interazioni dinamiche illustrate qui sono fondamentali per i meteorologi e i climatologi che studiano la variabilità atmosferica e la sua influenza sul clima globale.

1.2. Indagine su una Spiegazione per la QBO

Quando fu scoperta l’Oscillazione Quasi-Biennale, non esistevano ancora osservazioni sulle onde atmosferiche tropicali, né teorie previsionali relative alla loro esistenza. La ricerca di una spiegazione per la QBO, inizialmente, contemplò una serie di cause potenziali: un qualche meccanismo di retroazione interna, un periodo naturale di oscillazione dell’atmosfera, un processo esterno o una combinazione di questi elementi. Tuttavia, nessuno di questi tentativi riuscì a fornire una spiegazione soddisfacente per alcune caratteristiche salienti, come la propagazione verso il basso e il mantenimento dell’ampiezza della QBO (e quindi un incremento della densità energetica) durante la sua discesa.

Divenne evidente che per spiegare il massimo dei venti equatoriali occidentali era necessaria l’intervento di onde asimmetriche zonalmente. Nel 1968, Wallace e Holton tentarono di simulare la QBO attraverso un modello numerico, impiegando fonti di calore o onde planetarie extratropicali in propagazione verso l’equatore. I loro studi dimostrarono in modo convincente che il trasferimento di momento laterale tramite le onde planetarie non poteva giustificare la propagazione verso il basso della QBO senza una perdita di ampiezza. Giunsero alla fondamentale conclusione che l’unico modo per replicare le osservazioni empiriche era avere una forza motrice, una fonte di momento, che si propagasse effettivamente verso il basso insieme ai venti equatoriali medi.

Il rivoluzionario articolo di Booker e Bretherton del 1967, riguardante l’assorbimento delle onde di gravità a un livello critico, fornì l’impulso che avrebbe portato alla comprensione di come la QBO fosse guidata. Fu grazie a un’intuizione di Lindzen che si comprese come le onde di gravità in propagazione verticale potessero fornire la necessaria forza ondulatoria per la QBO. Nel 1968, Lindzen e Holton dimostrarono esplicitamente in un modello bidimensionale come una QBO potesse essere alimentata da un ampio spettro di onde di gravità propaganti verticalmente, includendo velocità di fase sia verso l’ovest che verso l’est. L’oscillazione emerse attraverso un meccanismo interno che coinvolgeva un’interazione reciproca tra le onde e il flusso di fondo atmosferico. La prima parte di questa interazione era l’effetto del flusso di fondo sulla propagazione delle onde e, di conseguenza, sui flussi di momento. La seconda parte riguardava l’influenza di questi flussi di momento sul flusso di fondo. Il modello di Lindzen e Holton descriveva il comportamento delle onde e il loro impatto sul flusso di fondo attraverso una semplice parametrizzazione, risultando in un’oscillazione modellata che presentava un pattern di venti orientali e occidentali propaganti verso il basso. Una corollario importante del loro lavoro fu la determinazione che il periodo dell’oscillazione fosse influenzato, in parte, dai flussi di momento delle onde, consentendo così la manifestazione di una gamma di periodi possibili. La coincidenza che l’oscillazione osservata avesse un periodo vicino a un subarmonico del ciclo annuale fu quindi considerata una mera casualità.Al tempo della scoperta della QBO, non esistevano osservazioni dirette che potessero attestare la presenza di onde atmosferiche tropicali, e non vi era alcuna teoria che ne anticipasse l’esistenza. L’attribuzione della forza motrice della QBO a onde gravitazionali equatoriali che si propagano verso est e verso ovest fu pertanto un’affermazione audace, basata più su congetture teoriche che su solide evidenze empiriche. La teoria delle onde equatoriali, sviluppata per la prima volta alla fine degli anni ’60 in parallelo alla teoria della QBO, propose soluzioni che includevano un modo Rossby e un modo noto come Rossby-gravità. Una terza soluzione, il modo Kelvin equatoriale, prevedeva una propagazione orientale.

Nel 1967, Maruyama presentò osservazioni coerenti con un modo Rossby-gravità che si propagava verso ovest. Wallace e Kousky nel 1968 furono i primi a documentare le onde Kelvin equatoriali nella stratosfera inferiore, notando come queste onde producessero un flusso ascendente di momento occidentale, una dinamica che poteva spiegare l’accelerazione occidentale osservata nella QBO. Le onde Rossby-gravità, secondo Bretherton nel 1969, contribuivano invece con un’accelerazione netta orientale.

Holton e Lindzen nel 1972 affinarono il modello originale di Lindzen e Holton del 1968, sviluppando un modello unidimensionale in cui la QBO era guidata da onde Kelvin, che fornivano una forza occidentale, e onde Rossby-gravità, che esercitavano una forza orientale. Sebbene le ampiezze di queste onde fossero modeste, si riteneva che fossero sufficienti, nonostante la scarsità di osservazioni di onde equatoriali, per sostenere il meccanismo della QBO. Questo modello rimase il paradigma accettato per più di due decenni.

Il modello concettuale della QBO si basava sull’esperimento di laboratorio di Plumb e McEwan del 1978, che utilizzava un fluido stratificato salino in un grande anello. Il confine inferiore dell’anello, una membrana flessibile, oscillava verticalmente generando onde di gravità che si propagavano orariamente e antiorariamente. Questo esperimento dimostrò che, per onde di ampiezza sufficiente, si stabiliva un regime di flusso medio indotto dalle onde, caratterizzato da inversioni periodiche del flusso medio che progressivamente si muovevano verso il basso, fornendo un supporto empirico significativo al paradigma teorico della QBO.

Tuttavia, Gray e Pyle nel 1989 scoprirono che per ottenere una QBO realistica in un modello completo radiativo-dinamico-fotochimico, era necessario incrementare le ampiezze delle onde di un fattore tre rispetto a quelle osservate. Dunkerton nel 1997 e McIntyre nel 1994 evidenziarono che la velocità osservata dell’upwelling tropicale, circa 1 km al mese, implicava che i regimi di vento della QBO si propagassero verso il basso molto più rapidamente rispetto al movimento dell’aria di sfondo, dato che l’intera stratosfera tropicale si stava muovendo verso l’alto. Questo fatto più che raddoppiava il trasporto di momento richiesto dalle onde equatoriali che si propagavano verticalmente.

Nonostante la QBO sia un fenomeno tropicale, essa influisce sulla stratosfera globale, modulando venti, temperature, onde extratropicali e la circolazione nel piano meridionale, e influenzando la distribuzione e il trasporto di costituenti traccianti, con possibili implicazioni nella deplezione dell’ozono stratosferico. Comprendere la QBO e i suoi effetti globali è quindi essenziale per gli studi sulla variabilità a lungo termine o le tendenze di gas traccianti e aerosol.

2. Panoramica della QBO e dei Suoi Effetti Globali

2.1. Vento Zonale

Un’analisi composita relativa alla QBO nei venti zonali equatoriali, come illustrato nella Figura 1 da Pawson et al. [1993], rivela una propagazione verso il basso della fase occidentale che avviene in modo più rapido e regolare rispetto alla fase orientale, la quale si caratterizza per un’intensità superiore e una persistenza più prolungata. Il periodo medio di oscillazione della QBO, calcolato a partire dai dati raccolti nel lasso temporale 1953–1995, è di circa 28,2 mesi. Questo intervallo è leggermente maggiore rispetto ai 27,7 mesi risultanti da una serie storica più breve analizzata da Naujokat [1986]. La deviazione standard relativa alla QBO composita è anch’essa rappresentata nella Figura 1, evidenziando picchi di variabilità situati vicino alle zone di cisalhamento dei venti orientali e occidentali, con una maggiore evidenza per la fase occidentale. Questo fenomeno riflette principalmente le variazioni nella durata di ciascuna fase, come mostrato nella Tavola 1.

Dunkerton [1990] ha evidenziato che la QBO potrebbe essere parzialmente sincronizzata con il ciclo annuale, notando come l’avvio del regime orientale a 50 hPa tenda generalmente a manifestarsi durante la tarda primavera o l’estate dell’emisfero nord. Questa analisi è stata aggiornata e presentata nella Figura 2, che illustra il momento di inizio di ciascun regime di vento a 50 hPa. Sia le transizioni orientali che quelle occidentali mostrano una marcata predilezione per il periodo aprile-giugno.

La struttura latitudinale della QBO nei venti zonali è dettagliatamente descritta nella Figura 3, basata su lunghe serie storiche di osservazioni del vento provenienti da numerose stazioni tropicali [Dunkerton e Delisi, 1985]. L’ampiezza della QBO è simmetrica in latitudine, con il massimo concentrato sull’equatore e una larghezza meridionale di circa 12 gradi. Strutture simili della QBO sono state ottenute da analisi meteorologiche assimilate, sebbene l’ampiezza sia spesso sottovalutata rispetto alle misurazioni effettuate tramite radiosonde [Pawson e Fiorino, 1998; Randel et al., 1999].

La Tavola 2 fornisce una panoramica esaustiva della QBO, delle sue origini e dei suoi effetti dinamici globali, oltre a costituire una solida base per la discussione dettagliata della QBO nelle sezioni successive. Il diagramma abbraccia la troposfera, la stratosfera e la mesosfera da un polo all’altro, mostrando schematicamente le differenze nel vento zonale tra le fasi orientali e occidentali della QBO a 40 hPa.La convezione nella troposfera tropicale, estendendosi da fenomeni mesoscalari, come i complessi convettivi che abbracciano aree superiori ai 100 km, fino a manifestazioni su scala planetaria, genera un vasto spettro di onde atmosferiche (rappresentate da frecce ondulate arancioni nella sezione 3). Questo spettro comprende onde di gravità, gravità-inerzia, Kelvin e Rossby-gravità, ciascuna caratterizzata da una diversa combinazione di lunghezze d’onda verticali e orizzontali e velocità di fase. Queste onde si propagano verso la stratosfera, trasportando momenti zonali orientali e occidentali. La maggior parte di questo momento zonale viene rilasciata all’interno dei livelli stratosferici, influenzando direttamente le anomalie dei venti zonali associate alla QBO. Per ciascuna di queste onde, il profilo verticale del vento zonale determina il cosiddetto livello critico, al di sotto del quale il momento viene effettivamente depositato. I livelli critici per queste onde sono influenzati, in parte, dalle zone di taglio della QBO. Alcune onde di gravità attraversano l’intera stratosfera e danno luogo a una manifestazione della QBO vicino alla mesopausa, conosciuta come QBO mesosferica, o MQBO (discussa nella sezione 6).

Nella bassa stratosfera tropicale, le velocità medie del vento risultano essere relativamente modeste, quindi la composizione dei venti orientali meno i venti occidentali, come illustrato nella Tavola 2, mostra un aspetto simile ai venti reali osservati durante la fase orientale della QBO. Alle elevate latitudini, si verifica un ciclo annuale distinto, con prevalenza di forti venti occidentali durante il periodo invernale. A nord dell’equatore, nella bassa stratosfera, i venti tropicali modificano il canale di propagazione effettivo per le onde su scala planetaria che si muovono verso l’alto e verso l’equatore (rappresentate da frecce viola curve). L’influenza della struttura del vento zonale nella fase orientale della QBO è tale da concentrare una maggiore attività ondulatoria verso il polo, dove le onde convergono e rallentano il flusso zonale medio. Di conseguenza, il vortice polare situato a nord di circa 45°N mostra venti occidentali attenuati (o anomalia orientale, visualizzata in azzurro chiaro). Queste anomalie dei venti ad alte latitudini si estendono fino alla troposfera e forniscono un meccanismo attraverso il quale la QBO può esercitare una discreta influenza sui modelli meteorologici troposferici, come viene ulteriormente esplorato nella sezione 6.

La Figura 1 illustra un grafico composito dell’Oscillazione Quasi-Biennale (QBO), focalizzando specificamente sulla transizione tra i venti orientali e quelli occidentali a un’altitudine di 20 hPa. Il mese di transizione selezionato per questo grafico corrisponde al primo mese in cui si manifestano venti occidentali a questa quota. Le aree rappresentanti i venti occidentali sono evidenziate con ombreggiature, e l’intensità dell’ombreggiatura aumenta a intervalli di 5 m/s, valore che coincide con l’intervallo dei contorni mostrati.

Sull’asse temporale, il grafico si estende da cinque mesi prima della transizione da est a ovest a 20 hPa fino a 42 mesi dopo tale transizione. L’ordinata regolarità della QBO è sottolineata dalla presenza di una seconda fase di venti occidentali che inizia a 20 hPa, circa 29 mesi dopo l’insorgenza iniziale. Questo modello di ripetizione dimostra la periodicità caratteristica della QBO e la sua prevedibilità nel tempo.

Nel pannello inferiore del grafico è rappresentata la deviazione standard relativa alla media della QBO, con un intervallo di contorno/ombreggiatura impostato a 4 m/s. Le maggiori variazioni sono localizzate in prossimità delle linee di taglio, evidenziando come il periodo della QBO possa variare e come la durata di ciascuna fase a qualsiasi livello sia considerevolmente lunga rispetto al tempo di transizione tra una fase e l’altra. Questo aspetto illustra la complessità della QBO, sottolineando le sfide nel prevedere esattamente la durata e l’intensità delle sue fasi, nonostante la sua natura ciclica e regolare.

Questo grafico composito non solo conferma la natura ciclica e le fasi alternanti della QBO, ma offre anche una visione quantitativa delle variazioni che possono verificarsi da un ciclo all’altro, rendendo essenziale una comprensione dettagliata per studi climatologici e meteorologici avanzati.

La Figura 2 mostra due distinti istogrammi che rappresentano il numero di transizioni atmosferiche, o attraversamenti dello zero, a 50 hPa, organizzati per mese. Queste transizioni sono cruciali per comprendere il comportamento dinamico della QBO (Oscillazione Quasi-Biennale) e la loro distribuzione temporale attraverso l’anno.

Nel pannello superiore, l’istogramma documenta le transizioni da orientali (Easterly, E) a occidentali (Westerly, W). Ogni casella all’interno dell’istogramma rappresenta un mese specifico e contiene i numeri degli anni in cui si è verificata tale transizione. Ad esempio, nel mese di marzo (M), ci sono stati due anni, specificamente il 1995 e il 1999, nei quali si è osservata questa transizione dei venti. L’altezza delle colonne nell’istogramma indica il numero di transizioni osservate per ciascun mese, fornendo una chiara visualizzazione di quali mesi tendono a vedere una maggiore frequenza di cambiamenti da venti orientali a occidentali.

Nel pannello inferiore, è rappresentata la transizione opposta, da occidentali a orientali. Questo pannello evidenzia mesi come giugno (J), in cui vi è stata una concentrata attività di transizione nei vari anni elencati nei riquadri. Anche qui, l’altezza delle colonne fornisce una misura immediata della frequenza delle transizioni, con un’indicazione visiva di quando tali cambiamenti di vento sono più probabili nel corso dell’anno.

Entrambi gli istogrammi non solo illustrano la frequenza delle transizioni della QBO a 50 hPa, ma offrono anche una prospettiva sulla variabilità interannuale e stagionale di questi eventi. La disposizione degli anni all’interno dei riquadri per ogni mese permette agli analisti di identificare pattern di lungo termine e di valutare la regolarità o l’irregolarità delle fasi della QBO. Questo tipo di analisi dettagliata è fondamentale per avanzare nella comprensione del complesso comportamento della QBO e del suo impatto sui sistemi climatici e meteorologici globali.

La Figura 3 offre una visualizzazione dettagliata dell’analisi armonica del vento zonale a 30 hPa, esplorando le ampiezze dei cicli annuale e semestrale, oltre alla componente residua desezionalizzata dei venti. La presentazione distintiva attraverso vari simboli su questa figura permette una comprensione chiara e immediata delle diverse componenti del vento zonale studiate.

• Quadrati (□): Questi simboli sono utilizzati per indicare l’ampiezza del ciclo annuale dei venti zonali. Posizionati strategicamente sul grafico, i quadrati riflettono fluttuazioni significative che seguono un modello annuale, con variazioni notevoli che possono essere osservate principalmente in prossimità dell’equatore.
• Triangoli (Δ): Rappresentano l’ampiezza del ciclo semestrale. Questi simboli, disposti in modo meno frequente rispetto ai quadrati, suggeriscono che la variazione semestrale dei venti zonali è meno marcata rispetto a quella annuale. Ciò evidenzia una minore, ma ancora rilevante, variazione nella velocità del vento su base semestrale.
• Cerchi (○): Illustrano l’ampiezza della componente residua dei venti zonali, una volta escluse le influenze stagionali. La distribuzione di questi cerchi fornisce una visione delle variazioni di vento che persistono al di là delle spiegazioni puramente stagionali, suggerendo la presenza di dinamiche stratosferiche addizionali che influenzano i venti a questa quota.

Le linee solide tracciate nel grafico sono basate su dati raggruppati (binned data), che forniscono un riassunto visivo delle tendenze generali osservate nei dati grezzi. Queste linee aiutano a stabilire un collegamento più chiaro tra i dati puntuali rappresentati dai simboli e le tendenze generali nel comportamento dei venti zonali.

Sull’asse verticale (U) del grafico, la latitudine varia da circa -20 a +20 gradi, con l’equatore (EQ) rappresentato dalla linea orizzontale tratteggiata a quota zero. L’asse orizzontale misura la velocità del vento in metri al secondo (m/s), fornendo un quadro quantitativo della forza dei venti associati a ciascuna delle componenti analizzate.

In sintesi, la Figura 3 è fondamentale per capire la complessità e la variabilità dei venti zonali a 30 hPa, mettendo in luce non solo le influenze stagionali ma anche altri fattori dinamici che modulano questi venti. Questa analisi contribuisce significativamente agli studi di meteorologia e climatologia, offrendo spunti cruciali sulla dinamica atmosferica superiore e le sue variazioni periodiche e non-periodiche.

2.2. Temperatura e Circolazione Meridionale

Il Quadrennial Oscillation (QBO) manifesta un’impronta significativa nelle variazioni termiche, con segnali distinti sia nelle zone tropicali che extratropicali. Nelle regioni tropicali, le oscillazioni di temperatura legate al QBO sono strettamente collegate alle variazioni verticale dei venti zonali. Questa relazione è evidenziata dalla presenza di un equilibrio del vento termico. In particolare, le anomalie termiche all’equatore sono in rapporto con le variazioni dello shear dei venti zonali, rispettando una specifica proporzionalità rispetto alla costante dei gas per l’aria secca, all’altezza di scala nominale, e alla derivata latitudinale del parametro di Coriolis.

Le anomalie di temperatura all’equatore legate al QBO si manifestano prevalentemente nella stratosfera inferiore, con variazioni che possono raggiungere circa 4 K, con il picco massimo osservato tra i 30 e i 50 hPa. Questo fenomeno è ben documentato attraverso la correlazione tra le serie temporali delle temperature, depurate dal ciclo stagionale, misurate a Singapore a 30 hPa e le variazioni dello shear del vento zonale tra i 30 e i 50 hPa. Tali dati evidenziano una consistenza con le scale meridionali stimate, che variano tra 1000 e 1200 km, corrispondenti a circa 10 gradi di latitudine.

Oltre alle regioni equatoriali, le anomalie di temperatura dovute al QBO si estendono verso il basso fino alla tropopausa, dove sono state osservate variazioni di circa 0.5 K. Questo schema di variazione si estende ulteriormente verso la stratosfera media e superiore, dove le anomalie mostrano una fase opposta rispetto a quelle nella stratosfera inferiore. Ad esempio, durante l’inverno boreale del 1994, le anomalie di temperatura associate alla fase orientale del QBO sono state analizzate utilizzando i dati di assimilazione stratosferica dell’Ufficio Meteorologico del Regno Unito, che si estendono fino a 45 km. Questi dati suggeriscono una sottovalutazione dell’entità delle anomalie di temperatura del QBO, poiché il processo di recupero mediava su uno strato più profondo rispetto alle anomalie stesse. Nonostante ciò, la struttura verticale contrapposta delle anomalie è una caratteristica persistente e coerente anche con i lunghi record di dati di radianza satellitare.Oltre al predominante massimo equatoriale osservato nelle temperature legate al QBO, le osservazioni satellitari identificano dei massimi coerenti posizionati tra i 20° e i 40° di latitudine in ciascun emisfero, che risultano essere fuori fase con il segnale tropicale. Tale fenomeno è illustrato nella Figura 6, dove viene presentata la regressione delle temperature stratosferiche, estendendosi tra i 13 e i 22 km di altitudine (analizzate attraverso il canale 4 dell’unità di sondaggio a microonde), rispetto ai venti QBO a 30 hPa durante il periodo che va dal 1979 al 1999. Una caratteristica notevole di queste anomalie termiche nelle regioni extratropicali è la loro sincronizzazione stagionale, manifestandosi principalmente nei mesi invernali e primaverili di ciascun emisfero.

Queste anomalie termiche stagionali si rispecchiano anche nelle misurazioni dell’ozono, come dettagliato nella sezione 5, sottolineando l’importanza di questa variabilità extratropicale stagionalmente sincronizzata quale elemento distintivo e complesso del QBO globale. L’intensa correlazione tra le anomalie di temperatura a bassa frequenza e le variazioni nella circolazione meridionale media, evidenzia come i pattern di circolazione globale associati al QBO presentino un’asimmetria pronunciata durante i solstizi, come evidenziato dalle frecce nella Figura 5.

Le configurazioni termiche rivelate dalla Figura 6 includono segnali significativi nelle regioni polari, che mostrano una fase opposta rispetto ai tropici e raggiungono il loro apice durante la primavera in entrambi gli emisferi. Nonostante l’ampiezza di questi segnali polari superi quella dei massimi subtropicali e siano presumibilmente autentici, la loro significatività statistica è limitata nel record del periodo 1979-1998 a causa dell’elevata variabilità naturale nelle regioni polari durante i mesi invernali e primaverili.

La modulazione del vento zonale medio indotta dal QBO, come illustrato nella Tavola 1, è strettamente collegata a variazioni della circolazione meridionale media zonale. La dinamica climatologica tipica è caratterizzata da un marcato ascenso nei tropici, un esteso trasporto polare nella stratosfera e un affondamento compensatorio attraverso la tropopausa extratropicale. Questa circolazione influisce notevolmente sul trasporto di specie chimiche traccianti, sia all’interno che al di fuori della stratosfera, risultando da un intreccio di movimenti su larga scala e processi di mescolamento associati alle dinamiche ondulatorie.

Le interazioni chimiche, come quelle implicate nel processo di depauperamento dell’ozono, sono influenzate non solo dalle concentrazioni di tali specie traccianti ma anche, in modo critico, dalle variazioni termiche. Pertanto, data la capacità del QBO di modulare la circolazione stratosferica globale, comprese le regioni polari, è fondamentale comprendere l’impatto del QBO non solo sui parametri dinamici e termici, ma anche sulla distribuzione delle specie chimiche traccianti, per una piena comprensione delle dinamiche di variabilità e cambiamento climatico a scala globale.Numerose specie chimiche traccianti di lunga vita, quali il N₂O e il CH₄, originano nella troposfera e vengono trasferite nella stratosfera attraversando la tropopausa tropicale. La Tavola 3 sintetizza l’influenza esercitata dal QBO sulla circolazione meridionale media e il trasporto di tali specie chimiche traccianti. In questa tavola, i contorni delineano schematicamente le isopleti di un tracciatore conservativo, persistente e stratificato verticalmente, durante il periodo invernale nell’emisfero nord, quando i venti equatoriali presso i 40 hPa assumono una direzione orientale, come mostrato anche nella Tavola 2. Si osserva un’intensa risalita che si riflette nel massimo tropicale marcato nella densità del tracciatore nella stratosfera media e superiore. Le anomalie extratropicali indotte dal QBO inducono deviazioni dalla simmetria emisferica, alcune delle quali sono attribuibili anche al ciclo stagionale di mescolamento delle onde planetarie.

Nella Tavola 3, le frecce marcate evidenziano le anomalie di circolazione associate al QBO, eliminando l’influenza della circolazione media calcolata nel tempo, ipotizzando che sia orientale a 40 hPa. All’equatore, il QBO stimola una risalita relativa al sollevamento medio tropicale attraverso la tropopausa, ma determina un abbassamento nella stratosfera media e superiore. L’anomalia nella circolazione della stratosfera inferiore si presenta quasi simmetrica rispetto all’equatore, mentre quella nella stratosfera media è più accentuata nell’emisfero invernale, come discusso nella sezione 5. Quest’asimmetria si manifesta chiaramente nelle isopleti asimmetriche del tracciatore.

Oltre all’avvezione operata dalla circolazione meridionale media, il tracciatore subisce un processo di mescolamento a causa dei movimenti ondulatori, che avvengono approssimativamente su superfici isentropiche, ovvero a temperatura potenziale costante. Tale fenomeno di mescolamento è rappresentato graficamente dalle frecce orizzontali ondulate. La discesa provocata dall’anomalia della circolazione nella stratosfera media genera un modello a “scala” nelle isopleti del tracciatore, estendendosi dall’equatore ai subtropici, vicino ai 5 hPa. Un ulteriore “gradino” si forma nella zona a media latitudine dell’emisfero invernale per effetto del mescolamento isentropico nella regione caratterizzata da un basso gradiente di vorticità potenziale, che circonda il vortice polare, noto come zona di surf, descritta da McIntyre e Palmer nel 1983. Il mescolamento può avvenire anche equatorward dell’asse del getto subtropicale nella stratosfera superiore, come illustrato dalla linea ondulata posizionata vicino ai 3 hPa e tra i 10° e 20°N, come riportato da Dunkerton e O’Sullivan nel 1996. Il trasporto anomalo dall’emisfero sud (SH) al NH vicino alla stratopausa è associato a un intensificato impulso delle onde planetarie extratropicali, come mostrato nella Tavola 2. I dettagli degli effetti del QBO sul trasporto dei traccianti sono approfonditi nella sezione 5.

La Figura 4 illustra due distinti andamenti correlati registrati tra gli anni 1980 e 1998, che enfatizzano l’interazione tra le anomalie di temperatura e lo shear del vento verticale nella zona equatoriale della stratosfera, specificamente tra i 30 e i 50 hPa. Questo grafico è fondamentale per comprendere le dinamiche del QBO (Oscillazione Quasi-Biennale) e il suo impatto sulla circolazione atmosferica e le variazioni termiche.

Il grafico inferiore rappresenta le anomalie di temperatura, misurate in kelvin, oscillando in un intervallo che va da circa -4 K a +4 K. Queste anomalie indicano deviazioni dalla temperatura media di lungo termine per questa specifica fascia atmosferica e zona geografica. Le anomalie positive rappresentano periodi durante i quali la temperatura è superiore alla media, mentre quelle negative indicano temperature al di sotto della media. L’andamento periodico di queste anomalie riflette l’influenza del QBO sulle temperature stratosferiche, evidenziando come questo fenomeno possa alterare significativamente il profilo termico dell’atmosfera a intervalli regolari.

Sul grafico superiore è tracciato lo shear del vento verticale, con valori che variano tra -10 m/s/km e +10 m/s/km. Lo shear, ovvero la variazione della velocità del vento con l’altitudine, è un indicatore cruciale della dinamica atmosferica. Valori positivi indicano un aumento della velocità del vento con l’aumentare dell’altitudine, mentre valori negativi suggeriscono il contrario. L’oscillazione osservata in questo grafico dimostra che lo shear del vento è intimamente legato alle variazioni termiche, con un’evidente correlazione tra questi due parametri.

L’analisi combinata di questi grafici rivela che le anomalie di temperatura e lo shear del vento sono fenomeni strettamente interconnessi nel contesto del QBO. Questa stretta correlazione è particolarmente significativa poiché sottolinea come le oscillazioni dei venti equatoriali possano influenzare direttamente sia la struttura termica che quella dinamica della stratosfera. I dati presentati in Figura 4 forniscono quindi un’importante prospettiva sulle complesse interazioni che regolano il clima e la meteorologia tropicale, enfatizzando l’impatto del QBO sulla variabilità climatica a scala globale.

La Figura 4 illustra come le temperature all’equatore variano in relazione al QBO negli strati atmosferici compresi tra i 30 e i 50 hPa, insieme allo shear, ovvero alla variazione del vento verticale, per gli anni dal 1980 al 1998. La curva inferiore traccia queste anomalie di temperatura, oscillando sopra e sotto il valore zero, che rappresenta la media a lungo termine. Questi alti e bassi si susseguono con una cadenza regolare, evidenziando i cambiamenti periodici tipici del QBO.

La curva superiore del grafico mostra lo shear del vento, che è la misura di come la velocità del vento cambia con l’altezza. Anche questa curva oscilla in modo simile alle anomalie di temperatura, suggerendo che i due fenomeni sono sincronizzati. In alcuni punti, la curva dello shear del vento sembra quasi specchiare quella delle temperature, rispecchiando l’interazione tra i due parametri atmosferici e confermando l’aspettativa che i venti e la temperatura sono strettamente intrecciati nel fenomeno del QBO.

Questo andamento ciclico e la forte correlazione tra le due curve forniscono una prova visiva dell’equilibrio termico del vento legato al QBO. I picchi corrispondenti e le valli nelle due serie di dati mostrano chiaramente come le variazioni di temperatura all’equatore e le variazioni del vento siano connesse, riflettendo la natura dinamica e interdipendente dell’atmosfera terrestre.

La Figura 5 offre una rappresentazione dettagliata delle anomalie del Quadrennial Oscillation (QBO) osservate nel febbraio del 1994, esplorando l’impatto del QBO su una vasta gamma di latitudini, da 90 gradi sud a 90 gradi nord, e altitudini che vanno dall’equatore fino a circa 40 chilometri sopra il livello del mare. Questo tipo di visualizzazione è cruciale per comprendere le complesse interazioni tra variazioni di temperatura e dinamiche della circolazione atmosferica indotte dal QBO.

Nel dettaglio, il grafico evidenzia le anomalie di temperatura attraverso linee continue per i valori superiori alla media e linee tratteggiate per quelli inferiori, con intervalli che comprendono incrementi di mezzo kelvin, un kelvin, un kelvin e mezzo, eccetera. Questo approccio di contornatura consente di identificare con precisione le regioni in cui le temperature si discostano notevolmente dalla norma stagionale, offrendo indicazioni chiave su come il QBO modifichi le condizioni termiche della stratosfera. Le variazioni di temperatura sono evidenziate in relazione all’altitudine e alla latitudine, dimostrando come le oscillazioni legate al QBO si estendano attraverso vasti strati dell’atmosfera.

In parallelo, il grafico mostra i modelli di circolazione dell’aria, rappresentati da frecce che indicano la direzione e l’intensità dei flussi atmosferici. Questi vettori di circolazione evidenziano il movimento dell’aria lungo l’asse nord-sud e il suo spostamento verticale, offrendo una panoramica completa del comportamento dell’aria che può essere alterato dalle condizioni del QBO.

L’analisi combinata di queste anomalie termiche e dei modelli di circolazione rivela la complessità e l’estensione delle influenze del QBO sulla meteorologia e il clima globale. La distinzione tra le anomalie di temperatura positive e negative, insieme ai modelli di circolazione evidenziati, illustra come il QBO influenzi diversi strati dell’atmosfera e diverse regioni geografiche in modi distinti.

In conclusione, la Figura 5 non solo illustra gli effetti diretti del QBO su temperature e circolazioni durante un periodo specifico, ma fornisce anche un fondamentale riferimento visivo per studi più approfonditi sulle dinamiche globali che regolano il nostro clima e le sue variazioni. Questa interazione dettagliata tra temperature e movimenti atmosferici sottolinea l’importanza di comprendere il QBO come un fattore chiave nella modulazione delle condizioni meteorologiche e climatiche a scala mondiale.

La Figura 6 offre una rappresentazione dettagliata della regressione del Quadrennial Oscillation (QBO) utilizzando i dati di temperatura raccolti dalla Microwave Sounding Unit (MSU) tra i 13 e i 22 km di altitudine, per il periodo che va dal 1979 al 1998. Questo grafico è fondamentale per osservare le variazioni stagionali e latitudinali delle temperature correlate al QBO durante l’arco dell’anno, mostrando in maniera chiara come il fenomeno influenzi differenti regioni geografiche e periodi stagionali.

Il grafico presenta le latitudini che vanno dall’equatore fino a 60 gradi sia a nord che a sud, includendo tutti i mesi dell’anno, da gennaio a dicembre. Le linee continue nel grafico indicano i contorni di regressione espressi in kelvin per 10 metri al secondo (K/10m/s), che quantificano l’effetto della velocità del vento sulla temperatura nelle specifiche fasce altitudinali considerate. Questi contorni sono cruciali per visualizzare come le temperature rispondano ai cambiamenti nei venti equatoriali causati dal QBO in varie parti dell’anno e in diverse posizioni geografiche.

Le aree ombreggiate nel grafico segnalano le regioni in cui i risultati della regressione statistica non mostrano differenze significative dallo zero al livello di confidenza di 2 sigma. Ciò indica che, in queste zone, le variazioni di temperatura non possono essere affidabilmente attribuite al QBO secondo i dati analizzati. Questa mancanza di significatività può derivare da limitazioni nei dati, variazioni naturali o altre dinamiche atmosferiche non rilevate dal modello di regressione utilizzato.

È particolarmente rilevante notare come le variazioni più significative (aree non ombreggiate) appaiano in specifiche fasce latitudinali e in determinati periodi dell’anno, evidenziate dai contorni più densi e marcati. Questi modelli variano nel corso dell’anno e suggeriscono una chiara dipendenza stagionale dell’effetto del QBO sulle temperature della stratosfera. Tali risultati enfatizzano come il QBO possa influenzare le temperature in maniera diversa a seconda delle latitudini, e come questo impatto si modifichi sistematicamente durante l’anno.

In conclusione, la Figura 6 fornisce un’analisi visiva complessa e articolata dell’impatto del QBO sulle variazioni di temperatura atmosferica globale, illustrando come le oscillazioni biennali dei venti equatoriali stratosferici influenzino il clima terrestre in modo che varia sia stagionalmente sia geograficamente. Questi dati rappresentano una risorsa preziosa per i climatologi e i meteorologi impegnati nello studio dei pattern di variazione climatica e nella previsione dei cambiamenti climatici futuri.

La Tavola 3 presenta una visualizzazione dettagliata e schematica del trasporto di traccianti conservativi nella stratosfera durante il periodo invernale boreale, evidenziando l’effetto delle anomalie dei venti del QBO nella sua fase orientale a 40 hPa. Questo grafico è fondamentale per comprendere come le dinamiche di circolazione influenzate dal QBO modulino la distribuzione di traccianti atmosferici attraverso vari strati verticali e latitudinali.

Le isopleti del tracciante, rappresentate con linee continue blu, mostrano la concentrazione del tracciante che varia in funzione della latitudine e dell’altitudine. Un’osservazione chiave è l’ampio massimo nella densità del tracciante che si verifica nella stratosfera equatoriale media e superiore, segnalato dall’addensarsi delle linee di contorno. Questo massimo è il risultato dell’ascesa tropicale, che porta ad una maggiore concentrazione del tracciante in queste regioni.

Le anomalie di circolazione, indicate dalle frecce rosse vicino all’equatore, illustrano gli effetti diretti del QBO sulla circolazione atmosferica. Queste anomalie contribuiscono a creare pattern di flusso d’aria che rompono la simmetria emisferica, risultando significativamente più marcate nell’emisfero invernale rispetto a quello estivo. L’anomalia nella stratosfera equatoriale inferiore appare quasi simmetrica rispetto all’equatore, mentre quella nella stratosfera superiore è accentuata nell’emisfero invernale, come dimostrato dalle frecce più prominenti.

Un interessante pattern a ‘gradini’ emerge dalla combinazione di discesa vicino all’equatore (indicativamente a 5 hPa) e ascesa a nord (anch’essa attorno a 5 hPa, ma a 10°N). Questo modello a gradini è ulteriormente complicato da un secondo gradino che si forma nelle medie latitudini, dove il mescolamento orizzontale, indicato dalle linee tratteggiate nere, facilita il trasferimento laterale del tracciante.

Inoltre, la figura delinea chiaramente la Tropopausa e la Stratopausa. La Tropopausa è segnata da una linea blu continua, che rappresenta il confine superiore della troposfera e indica un cambiamento netto nella gradiente di temperatura con l’altitudine. Allo stesso modo, la Stratopausa è evidenziata attorno a 1 hPa, segnando il limite superiore della stratosfera prima della transizione alla mesosfera.

In sintesi, questa tavola illustra in modo efficace e comprensivo come il QBO modifichi la circolazione stratosferica e influenzi il trasporto di traccianti, dimostrando l’interazione complessa tra i venti, la distribuzione verticale e latitudinale dei traccianti, e i processi di mescolamento atmosferico. Questa rappresentazione fornisce una visione indispensabile per gli studi climatici e meteorologici, offrendo una chiave di lettura fondamentale per interpretare le variazioni atmosferiche globali legate al QBO.

( La regressione del Quadrennial Oscillation (QBO) è una tecnica statistica utilizzata per analizzare e interpretare l’effetto dell’oscillazione quasi-biennale sui dati climatici o meteorologici. Il QBO è un fenomeno climatico caratterizzato da un’oscillazione regolare dei venti equatoriali nella stratosfera, con un periodo medio che varia da 28 a 29 mesi, anche se non esattamente biennale, da cui il termine “quasi-biennale”.

Funzionamento del QBO: Il QBO è generato da onde planetarie e di gravità che si propagano nell’atmosfera. Queste onde depositano momento angolare nell’atmosfera, accelerando o decelerando i venti nella regione equatoriale della stratosfera. Questo processo porta a una alternanza regolare tra venti orientali e occidentali.

Impatto del QBO: Il QBO influenza molti aspetti del sistema climatico globale, inclusi:

• La distribuzione della temperatura nella stratosfera e talvolta anche nella troposfera.
• Il trasporto di ozono e altre sostanze chimiche nella stratosfera.
• L’interazione con fenomeni climatici come il monsone, El Niño, e la circolazione polare.

Regressione del QBO: Nel contesto della regressione del QBO, gli scienziati usano modelli statistici per quantificare come variazioni specifiche nel QBO influenzino altre variabili climatiche o meteorologiche misurate. Ad esempio, i ricercatori possono regredire le anomalie di temperatura su un indice del QBO per vedere se ci sono pattern coerenti che suggeriscono un’influenza del QBO sulle temperature stratosferiche in determinate regioni o periodi dell’anno.

1. Raccolta dei dati: Si raccolgono serie temporali di variabili climatiche come temperature, pressioni, o velocità del vento insieme ai dati relativi allo stato del QBO.
2. Applicazione di metodi statistici: Utilizzando la regressione lineare o altri metodi statistici più complessi, si esaminano le relazioni tra il QBO e le altre variabili, controllando per altri fattori influenti e cercando di isolare l’effetto specifico del QBO.
3. Interpretazione dei risultati: I coefficienti di regressione ottenuti possono indicare l’intensità e la direzione dell’effetto del QBO sulle variabili studiate, offrendo intuizioni su come questo fenomeno influenzi il clima globale.

La regressione del QBO è quindi un strumento potente per disentagliare la complessità delle interazioni atmosferiche e migliorare la nostra comprensione e previsione del clima globale.)

Dinamica del Quasi-Biennial Oscillation (QBO)

Meccanismo di base del QBO

Il fenomeno del Quasi-Biennial Oscillation (QBO) presenta una simmetria longitudinale pressoché perfetta, come evidenziato da Belmont e Dartt nel 1968. Questa caratteristica suggerisce che il QBO possa essere efficacemente descritto e compreso all’interno di un modello che consideri la dinamica di un’atmosfera caratterizzata da simmetria longitudinale. In un contesto atmosferico rotante, vi è una forte interdipendenza tra i campi di temperatura e di vento, che implica che sia i processi di riscaldamento sia quelli di forzatura meccanica (applicati nelle equazioni del momento) possano innescare delle risposte in termini di velocità del vento.

Nonostante le attuali teorie evidenzino l’importanza cruciale della forzatura meccanica—rappresentata dai flussi di momento delle onde—per il mantenimento del QBO, è indispensabile considerare l’interazione tra i campi di temperatura e di vento per spiegare dettagliatamente la struttura osservata del fenomeno. In particolare, la forzatura meccanica svolge un ruolo essenziale, ma la dinamica interconnessa tra temperatura e vento non può essere trascurata.

Il principio sottostante il meccanismo oscillatorio del QBO può essere illustrato tramite un modello semplificato, che contempla l’interazione di onde di gravità in propagazione verticale con un flusso di base variabile con l’altitudine, come proposto da Plumb nel 1977. Si considerino due onde di gravità interne, propagate verso l’alto a partire da un confine inferiore, con ampiezze identiche e velocità di fase zonale uguali ma in direzioni opposte. Queste onde, assunte come quasi-lineari, interagiscono con il flusso medio ma non reciprocamente, e si considerano stazionarie, in condizioni idrostatiche, non influenzate dalla rotazione terrestre e soggette a un attenuamento lineare.

L’interazione di tali onde genera una “onda stazionaria” per effetto della loro sovrapposizione. Man mano che ciascuna componente dell’onda procede nella sua propagazione verticale, l’attenuazione riduce progressivamente la sua ampiezza. Questo decremento genera una forza sul flusso medio attraverso la convergenza del flusso verticale di momento zonale, accelerando localmente il flusso medio nella direzione di propagazione della fase zonale dell’onda predominante. L’intensità di questa forza è modulata dalla velocità di propagazione verticale delle onde e dalla struttura verticale del vento medio zonale.

Nel contesto di onde con ampiezza equivalente ma velocità di fase opposte, si potrebbe teoricamente raggiungere un equilibrio con flusso medio nullo. Tuttavia, tale equilibrio risulta instabile in assenza di una forte diffusione verticale; di conseguenza, anche minime deviazioni dall’equilibrio iniziale sono destinate a intensificarsi nel tempo.

Plumb nel 1977 ha dimostrato come le anomalie del vento zonale medio tendano a spostarsi verso il basso nel corso del tempo. Questo comportamento è illustrato chiaramente nella Figura 7, dove ogni onda continua la sua propagazione verticale fino a quando non viene rallentata e successivamente attenuata all’approccio di una zona di taglio. In tali condizioni, il vento zonale medio e la velocità di fase dell’onda sono in relazione stretta, determinando l’attenuazione dell’onda. Con la discesa della zona di taglio, si verifica un restringimento dello strato di venti orientali, al punto che la diffusione viscosa può eliminare i venti orientali a livello inferiore. Ciò consente all’onda orientale di propagarsi liberamente verso livelli più elevati, incontrando un flusso medio occidentale, in cui la dissipazione e l’accelerazione orientale contribuiscono gradualmente alla formazione di un nuovo regime orientale che si propaga verso il basso.Il processo descritto precedentemente si manifesta ciclicamente, con uno shear occidentale che si posiziona sopra uno shear orientale. Questo dinamismo contribuisce alla formazione di un getto orientale a basso livello. Con il decadimento di tale getto, l’onda occidentale si fa strada verso i livelli superiori, facilitando la formazione di una nuova zona di shear orientale in quota. Questa successione di eventi costituisce un ciclo completo di un’oscillazione non lineare, il cui periodo è influenzato da vari fattori, inclusi i flussi di momento zonale sia orientale che occidentale al confine inferiore e dalla massa atmosferica interessata dalle onde.

La durata del periodo del QBO è inversamente proporzionale al flusso di momento, come descritto nella formulazione di Plumb del 1977. In un contesto di atmosfera quasi-comprimibile, la riduzione della densità atmosferica con l’aumentare dell’altitudine comporta una significativa riduzione del periodo dell’oscillazione.

Le rappresentazioni semplificate, come quella proposta da Plumb, sono essenziali per comprendere il meccanismo di interazione tra onde e flusso medio che regola il QBO. Tuttavia, questi modelli non sono in grado di spiegare perché il QBO sia principalmente un fenomeno equatoriale, nonostante le sue significative connessioni con le regioni extratropicali. Una possibile spiegazione risiede nel fatto che il QBO sia alimentato da onde confinate equatorialmente. È plausibile anche che il QBO sia influenzato da ulteriori onde e che la sua presenza vicino all’equatore sia determinata da ragioni più fondamentali.

Queste osservazioni possono essere ulteriormente approfondite considerando le equazioni che regolano l’evoluzione di un’atmosfera simmetrica in longitudine soggetta a forzature meccaniche. In tali modelli, la componente longitudinale del vento, la temperatura e le componenti della velocità, sia latitudinale che verticale, interagiscono in modo complesso. L’accelerazione longitudinale, per esempio, non risponde linearmente alla forza applicata a causa della presenza della forza di Coriolis, che è direttamente legata alla velocità latitudinale. Questa forza è una conseguenza significativa della rotazione terrestre e modifica la risposta del sistema a una forza esterna applicata. L’accoppiamento tra velocità e temperatura è evidenziato dalla dipendenza della velocità longitudinale dal campo termico, presupponendo che il flusso sia in equilibrio idrostatico e geostrofico.

In sintesi, il QBO rappresenta un esempio complesso di dinamica atmosferica dove le interazioni tra forzature meccaniche, onde atmosferiche e la rotazione terrestre giocano ruoli cruciali nel determinare la struttura e l’evoluzione temporale di questo fenomeno meteorologico.Il quarto principio dell’insieme di equazioni in esame postula che la variazione temporale della temperatura all’interno del sistema sia il risultato sia del riscaldamento diabatico che delle modifiche adiabatiche della temperatura dovute al movimento verticale dell’aria. Il termine di riscaldamento diabatico, in particolare, viene descritto come una costante proporzionale al riscaldamento o al raffreddamento derivante dall’assorbimento o dalla perdita di radiazione a onde lunghe. Un’altra equazione cruciale in questo contesto è quella della continuità di massa, che assicura la conservazione della massa all’interno dell’atmosfera considerando le velocità dei flussi d’aria in tutte le direzioni.

Queste equazioni formano un sistema che può essere utilizzato per prevedere le variazioni delle variabili fondamentali come la velocità longitudinale e latitudinale del vento, la temperatura e la componente verticale della velocità. Un approccio proposto prevede di combinare queste equazioni in una formula unica che determina uno dei parametri incogniti, includendo un termine di forzatura che incapsula la forza esterna applicata al sistema.

Il trattamento delle forze temporali come armoniche, secondo l’approccio di Garcia del 1987, permette di semplificare ulteriormente l’analisi, trattando la forza applicata come una funzione periodica del tempo. In questo schema, la velocità longitudinale viene espressa come una funzione che varia periodicamente, una rappresentazione che si allinea con le osservazioni di fenomeni atmosferici periodici come il QBO.

La natura dell’operatore matematico che agisce sulla componente longitudinale della velocità è tale che la forza localizzata provoca una risposta che si estende oltre la regione immediata dell’apporto di forza, riflettendo le proprietà dei sistemi rotanti e stratificati dell’atmosfera. Il periodo di oscillazione considerato per queste analisi corrisponde a circa due anni, con un tasso di raffreddamento newtoniano associato a tempi tipici di dissipazione del calore nella bassa stratosfera.

L’analisi delle scale dimostra che, in condizioni di deboli effetti rotazionali, la dinamica dominante è influenzata principalmente dalla forza esterna applicata, anziché da complessi interazioni con le forze di Coriolis, le quali diventano rilevanti in altre configurazioni. Queste conclusioni derivano dal considerare specifiche scale di altezza e latitudine che definiscono la risposta della velocità atmosferica.

Infine, la cosiddetta “risposta tropicale” si verifica quando la scala latitudinale è sufficientemente ridotta, permettendo che l’accelerazione del flusso d’aria sia quasi direttamente proporzionale alla forza applicata. Questo fenomeno evidenzia come, in specifiche condizioni geografiche e dinamiche, la risposta atmosferica possa essere più diretta e immediata, riflettendo un comportamento più lineare del sistema atmosferico in risposta alle forze esterne. Questo approccio di modellazione offre una visione preziosa della complessa interazione tra forze meccaniche e risposte atmosferiche, essenziale per comprendere i meccanismi di base che regolano i fenomeni meteorologici a grande scala.Nel contesto dell’analisi delle oscillazioni atmosferiche, emerge una distinzione significativa tra le risposte climatiche delle regioni tropicali e quelle extratropicali. Questa differenziazione è intrinsecamente legata alla dinamica dei campi di velocità e temperatura in un sistema in rotazione. Mentre nelle alte latitudini le forze applicate tendono a essere neutralizzate dalla forza di Coriolis attraverso una circolazione meridionale media, nelle regioni tropicali, le stesse forze risultano in un’accelerazione più diretta. La circolazione meridionale in questi contesti induce anomalie di temperatura, che vengono a loro volta modulate dallo smorzamento termico, limitando così l’ampiezza della risposta della velocità.

Particolarmente alle alte latitudini, le forze che variano su scale temporali prolungate sono spesso compensate dalla forza di Coriolis, che attiva una circolazione che a sua volta modifica il profilo termico dell’atmosfera. Questo smorzamento termico agisce sulle anomalie di temperatura, riducendo efficacemente la risposta dinamica e confinando l’ampiezza delle variazioni di velocità. Al contrario, nelle basse latitudini, l’assenza di una significativa risposta termica e l’influenza minore dello smorzamento termico consentono alle velocità di mantenere una “memoria” più estesa, consentendo alle anomalie di persistere più a lungo.

Questo comportamento differenziato ha implicazioni dirette per il funzionamento del meccanismo del Quasi-Biennial Oscillation (QBO), che sembra essere efficiente principalmente nelle regioni equatoriali. Studi come quelli di Lindzen e Holton nel 1968 hanno dimostrato che l’azione della coppia di Coriolis riduce l’ampiezza delle oscillazioni del vento man mano che ci si allontana dall’equatore. Ricerche successive, come quelle di Haynes nel 1998, hanno proposto che sia la transizione tra i regimi tropicali ed extratropicali a definire l’estensione latitudinale del QBO piuttosto che la scala latitudinale delle onde che forniscono il necessario flusso di momento.

Le simulazioni eseguite con modelli numerici semplici, che utilizzano un campo di forzatura del momento fornito da onde di gravità su scala piccola e latitudinalmente estese, hanno suggerito l’esistenza di una scala di transizione specifica. Queste simulazioni prevedono che una tale transizione avvenga intorno ai 10 gradi di latitudine, evidenziando un limite critico oltre il quale il modello di oscillazione zonale diretta diventa meno efficace.

In sintesi, mentre i modelli unidimensionali riescono a catturare l’oscillazione nelle regioni tropicali, omettendo le coppie di Coriolis, falliscono nel replicare la struttura latitudinale che emerge in parte dall’aumento della forza di Coriolis con la latitudine. Questo approccio mette in luce come le dinamiche atmosferiche globali siano influenzate non solo dalle forze esterne applicate, ma anche dalla geometria e dalla rotazione del sistema terrestre, delineando un quadro complesso in cui la localizzazione geografica determina in maniera significativa la risposta climatica.

La Figura 7 che hai condiviso illustra in maniera schematica le varie fasi dell’evoluzione del flusso medio in un modello analogo al Quasi-Biennial Oscillation (QBO), secondo quanto proposto da Plumb nel 1984. La rappresentazione evidenzia quattro distinti stadi di un mezzo ciclo dell’oscillazione, ognuno dei quali è caratterizzato da specifiche interazioni tra le onde e il flusso medio atmosferico.

Nel Pannello (a), assistiamo alla fase iniziale del ciclo. Le frecce doppie rappresentano l’accelerazione indotta dalle onde, che spingono il flusso medio in diverse direzioni. Le frecce singole, invece, indicano le accelerazioni dovute alla viscosità, che tendono a modellare e a smorzare le velocità a livello locale. Le linee ondulate, che si estendono da una parte all’altra del grafico, illustrano la relativa penetrazione delle onde orientate verso est e verso ovest. Questo stadio iniziale mostra una chiara dominanza delle onde che si muovono verso l’est (+c), le quali esercitano una notevole influenza sul profilo di flusso vicino alla superficie.

Proseguendo al Pannello (b), si osserva un incremento nell’amplitude delle onde dirette verso est, come evidenziato dalla linea ondulata che diventa più marcata. Questo indica che l’energia dell’onda è sufficiente per ascendere più in alto nell’atmosfera, continuando a influenzare e accelerare il flusso medio. In questa fase, l’effetto della viscosità appare ridotto rispetto al primo pannello, segnalando che il flusso sta diventando più libero di adattarsi alle dinamiche delle onde.

Nel Pannello (c), vediamo che le onde dirette verso est cominciano a perdere forza mentre si propagano verso livelli atmosferici più alti, incontrando resistenze crescenti come il taglio del vento e l’incremento dello smorzamento viscoso. Questo è rappresentato dalla curvatura modificata del profilo di flusso e dalla diminuzione dell’amplitudine della linea ondulata. Le dinamiche complesse tra la propagazione delle onde e la resistenza atmosferica modellano l’evoluzione del flusso in questa fase critica.

Infine, il Pannello (d) mostra l’ultima fase del mezzo ciclo. Qui, l’onda orientata verso est ha raggiunto il suo apice e inizia a decadere. L’accelerazione del flusso medio, ora estesa a livelli più alti, presenta un profilo più affusolato a causa dell’intensa attività viscosa. Contemporaneamente, le onde dirette verso ovest cominciano a emergere con maggiore influenza, come indicato dall’apparizione di una nuova linea ondulata dal basso. Questo segna la preparazione al prossimo ciclo di oscillazione, dove le dinamiche si invertono e il processo inizia di nuovo.

In conclusione, questa serie di pannelli non solo illustra le dinamiche complesse del QBO, ma sottolinea anche il ruolo cruciale delle interazioni tra onde e viscosità nel modellare la struttura e l’evoluzione del flusso medio atmosferico attraverso le varie fasi dell’oscillazione.

3.2. Dinamiche Ondulatorie nella Stratosfera Tropicale Inferiore

Nell’ambiente tropicale, è presente un vasto spettro di onde atmosferiche, molte delle quali giocano un ruolo cruciale nel meccanismo del Quasi-Biennial Oscillation (QBO). Studi recenti basati sull’analisi delle ampiezze ondulatorie suggeriscono che una combinazione di onde di tipo Kelvin, Rossby-gravity, inerzia-gravità e onde di gravità di scala ridotta contribuiscono in modo significativo al flusso di momento necessario per sostenere il QBO [Dunkerton, 1997]. Queste onde, originando nella troposfera tropicale, si propagano verticalmente e interagiscono direttamente con il QBO, dimostrando la complessità delle interazioni dinamiche atmosferiche a queste latitudini.

La convezione, un fenomeno prevalente nei tropici, è un motore fondamentale nella generazione di queste onde. Questi modi ondulatori si sviluppano attraverso processi di propagazione laterale, rifrazione e riflessione all’interno di un cosiddetto waveguide equatoriale. L’estensione orizzontale di questo waveguide è strettamente dipendente dalle caratteristiche specifiche delle onde, come ad esempio i punti di svolta, dove la frequenza intrinseca dell’onda eguaglia la frequenza inerziale locale, determinando così la loro traiettoria e interazione con l’ambiente circostante.

Le onde che si propagano verso l’equatore provenienti da fuori dei tropici, come le onde planetarie Rossby provenienti dall’emisfero invernale, esercitano una certa influenza sui livelli superiori del QBO [Ortland, 1997]. Tuttavia, la porzione inferiore del QBO, situata a circa 20-23 km di altitudine vicino all’equatore, risulta essere relativamente isolata e ben protetta dalle incursioni delle onde planetarie extratropicali, grazie a una sorta di “scudo” dinamico che limita l’interazione con tali onde [O’Sullivan, 1997].

Riguardo alle onde che si propagano verticalmente e sono pertinenti al QBO, si distinguono principalmente due categorie: onde con lenta velocità di gruppo verticale che subiscono un assorbimento significativo, dovuto sia all’ammortamento radiativo che meccanico, depositando il loro momento a livelli corrispondenti al QBO; e onde con una veloce velocità di gruppo verticale che raggiungono un livello critico entro l’intervallo delle velocità del vento del QBO [Dunkerton, 1997]. L’altezza specifica a cui il momento viene rilasciato dipende dalla velocità del gruppo verticale, supponendo che il tasso di smorzamento per unità di tempo rimanga costante e indipendente dalle proprietà dell’onda. In contrasto, onde con una propagazione del gruppo particolarmente lenta rimangono confinate a pochi chilometri dalla tropopausa [Li et al., 1997], mentre onde con una rapida velocità del gruppo verticale e con velocità di fase fuori dall’intervallo delle velocità del vento del QBO si propagano attraverso il QBO quasi senza interferenze, evidenziando la diversità delle dinamiche ondulatorie in queste regioni.Le onde a lungo periodo predominano generalmente negli spettri del vento orizzontale e della temperatura nelle regioni tropicali. Tuttavia, è importante notare che le onde ad alta frequenza hanno un impatto maggiore sui flussi di momento rispetto a quanto si potrebbe dedurre dall’analisi della sola temperatura. Queste osservazioni guidano la classificazione delle onde pertinenti al QBO in tre categorie principali: primo, le onde Kelvin e Rossby-gravity, che sono confinate all’equatore con periodi di circa tre giorni e numeri d’onda da 1 a 4, corrispondenti a lunghezze d’onda zonali di circa 10.000 km; secondo, le onde di inerzia-gravità, la cui trappola equatoriale è variabile, con periodi che variano da uno a tre giorni e numeri d’onda da circa 4 a 40, traducendosi in lunghezze d’onda zonali tra 1.000 e 10.000 km; terzo, le onde di gravità con periodi inferiori a un giorno, numeri d’onda superiori a 40 e lunghezze d’onda zonali che variano da 10 a 1.000 km, le quali si propagano rapidamente in verticale.

Le analisi dettagliate rivelano che le onde di frequenza intermedia e alta svolgono un ruolo cruciale nel guidare il QBO. Nonostante ciò, persistono significative incertezze relative al flusso di momento generato da queste onde, particolarmente riguardo ai valori effettivi di flusso e alla loro contribuzione relativa all’interno dello spettro. Sebbene il flusso di momento generato dalle onde mesoscalari possa essere estremamente elevato a livello locale, per una valutazione accurata del loro impatto sul QBO è essenziale una comprensione approfondita della loro distribuzione spaziale e temporale. Le osservazioni attualmente disponibili sono insufficienti a coprire completamente tale necessità.

Per quanto riguarda le onde a scala intermedia, è difficile determinare quale percentuale sia effettivamente rilevante per il QBO senza stime più precise relative a velocità di fase, struttura modale e caratteristiche di assorbimento. I radiosondaggi, effettuati due volte al giorno, offrono un quadro dettagliato della struttura verticale, ma soffrono di limitazioni significative in termini di copertura orizzontale e temporale. Questi limiti rendono la loro descrizione della struttura orizzontale inadeguata e possono portare a fenomeni di aliasing temporale, che oscurano la reale frequenza delle onde.

Il QBO, teoricamente, dipende dall’attività ondulatoria proveniente dall’intero cinturone tropicale. Tuttavia, la rete di osservazione esistente riesce a monitorare solo una frazione limitata dell’area orizzontale e del tempo, rendendo incerta la traduzione delle osservazioni locali in stime globali efficaci per la spinta delle onde del QBO. In futuro, si prevede che le osservazioni satellitari forniranno la necessaria copertura spaziale e temporale. Questi dati si sono già rivelati utili per analizzare le onde equatoriali a scala planetaria e le onde di gravità extratropicali a piccola scala con lunghezza d’onda verticale estesa. Tuttavia, miglioramenti significativi nella risoluzione verticale degli strumenti satellitari e nelle loro capacità di misurare o dedurre le componenti del vento orizzontale sono indispensabili prima che tali osservazioni possano essere utilizzate per stime quantitative del flusso di momento dovuto alle onde a scala intermedia e piccola nella regione del QBO.

3.2.1. Onde Kelvin e Rossby-gravity nell’ambito del QBO

Le onde Kelvin e Rossby-gravity sono state identificate per la prima volta come componenti significative nella dinamica atmosferica tropicale attraverso i dati ottenuti da radiosondaggi, grazie agli studi pionieristici di Yanai e Maruyama nel 1966 e successivamente da Wallace e Kousky nel 1968b. Queste scoperte hanno giocato un ruolo cruciale nello sviluppo di una teoria modificata del Quasi-Biennial Oscillation (QBO) proposta da Holton e Lindzen nel 1972, marcando un punto di svolta nella comprensione delle dinamiche atmosferiche equatoriali.

Una serie di rassegne sulle osservazioni iniziali delle onde equatoriali, come quelle di Wallace (1973), Holton (1975), Cornish e Larsen (1985), Andrews et al. (1987), e Dunkerton (1997), hanno approfondito la comprensione di questi fenomeni, evidenziando come l’interpretazione delle perturbazioni atmosferiche in termini di modi di onde equatoriali si basi sul confronto tra i parametri dell’onda, come la scala orizzontale e la frequenza, la struttura latitudinale, e la relazione di fase tra le diverse variabili meteorologiche, quali i componenti del vento e la temperatura. Questi parametri vengono confrontati con le previsioni teoriche per identificare chiaramente i modi equatoriali, un processo facilitato in regioni dove la copertura spaziale degli strumenti di misura permette di osservare una propagazione coerente e sistematica delle onde.

L’analisi di lunghi periodi di dati raccolti da radiosondaggi effettuati in stazioni di alta qualità ha permesso di dedurre variazioni sia stagionali che legate al QBO dell’attività delle onde Kelvin e Rossby-gravity vicino all’equatore. Studi significativi in questo ambito includono quelli di Maruyama (1991), Dunkerton (1991b, 1993), Shiotani e Horinouchi (1993), Sato et al. (1994), e Wikle et al. (1997). Questi lavori hanno rivelato che le variazioni del QBO nell’attività delle onde Kelvin, osservate nelle fluttuazioni del vento zonale e della temperatura, corrispondono all’amplificazione attesa di queste onde nelle zone di shear occidentale discendente, confermando le ipotesi teoriche.

Inoltre, è stata osservata una variazione annuale dell’attività delle onde Rossby-gravity nella parte più bassa della stratosfera equatoriale, fornendo spunti utili per comprendere le variazioni stagionali degli inizi del QBO intorno ai 50 hPa, come documentato da Dunkerton nel 1990. Questi risultati non solo arricchiscono la nostra comprensione delle complesse interazioni tra onde atmosferiche e cicli climatici a scala globale, ma sollevano anche questioni importanti riguardo l’accuratezza e la copertura delle osservazioni disponibili, evidenziando la necessità di continue osservazioni e studi approfonditi per decifrare completamente il ruolo di queste onde nella dinamica del QBO.Le onde intrappolate all’equatore sono state oggetto di osservazione attraverso l’analisi di dati relativi alla temperatura e ai traccianti ottenuti mediante vari strumenti satellitari. Mentre la maggior parte di questi studi si è focalizzata sulle onde presenti nella stratosfera superiore, importanti per l’oscillazione semiannuale della stratopausa (SAO), alcuni lavori hanno anche esaminato le onde nella stratosfera inferiore equatoriale, che sono di rilevanza per il Quasi-Biennial Oscillation (QBO) [ad esempio, Salby et al., 1984; Randel, 1990; Ziemke e Stanford, 1994; Canziani et al., 1995; Kawamoto et al., 1997; Shiotani et al., 1997; Mote et al., 1998; Canziani e Holton, 1998]. La rilevazione di segnali di temperatura deboli e poco profondi, associati a onde equatoriali in propagazione verticale, presenta notevoli difficoltà, e il campionamento satellitare generalmente recupera solo i numeri d’onda zonali più bassi, come le onde 1-6. Nonostante ciò, le osservazioni satellitari offrono una preziosa prospettiva globale che integra il campionamento irregolare effettuato dalla rete di radiosondaggi.

Studi di modellazione bidimensionale, come quelli condotti da Gray e Pyle nel 1989 e Dunkerton nel 1991a e 1997, hanno evidenziato che le onde Kelvin e Rossby-gravity sono insufficienti per generare il flusso verticale di momento necessario a sostenere il QBO. È emerso che il flusso di momento richiesto è molto maggiore di quanto precedentemente ipotizzato, poiché l’aria della stratosfera tropicale è soggetta a un movimento ascendente causato dalla circolazione di Brewer-Dobson. L’inclusione di un upwelling equatoriale realistico nei modelli indica che il flusso d’onda totale necessario per un QBO realistico è da due a quattro volte superiore a quello delle onde di grande scala e lungo periodo, come le onde Kelvin e Rossby-gravity osservate.

Le simulazioni tridimensionali condotte da studiosi come Takahashi e Boville nel 1992, Hayashi e Golder nel 1994, e Takahashi nel 1996, discusse nella sezione 3.3.2, confermano ulteriormente la necessità di flussi d’onda aggiuntivi. Di conseguenza, è essenziale approfondire la comprensione delle onde di inerzia-gravità e gravità di scala minore attraverso osservazioni dettagliate, al fine di delineare con maggiore precisione il loro potenziale contributo al meccanismo del QBO. Questo approccio olistico non solo amplia la nostra comprensione delle dinamiche atmosferiche equatoriali ma anche sottolinea l’importanza di una copertura osservativa estesa e accurata per interpretare correttamente il ruolo di queste onde nella modulazione del QBO.

3.2.2. Analisi delle Onde di Inerzia-Gravità nell’Equatore

Le onde di inerzia-gravità che si propagano verso est sono tipicamente osservate nelle fasi di shear occidentale del Quasi-Biennial Oscillation (QBO), mentre quelle che si propagano verso ovest emergono durante le fasi di shear orientale. Queste dinamiche sono state documentate attraverso campagne osservative sfruttando radiosondaggi, i quali hanno fornito dati con risoluzione temporale e verticale elevate, permettendo un’analisi dettagliata delle variazioni di fase sia nel tempo che in verticale.

Un esempio pionieristico di tale studio è stato condotto da Cadet e Teitelbaum nel 1979, che hanno analizzato dati di radiosondaggi raccolti ogni tre ore a 8.58N, 23.58W durante il Global Atmospheric Research Project Atlantic Tropical Experiment (GATE). Durante questo periodo, il QBO si trovava in una fase di shear orientale. Gli studiosi hanno identificato una struttura ondulatoria con caratteristiche simili alle onde di inerzia-gravità, con una breve lunghezza d’onda verticale di circa 1,5 km e un periodo di 30-40 ore, la cui velocità di fase zonale era diretta verso ovest.

In una successiva campagna osservativa, Tsuda et al. (1994a, 1994b) hanno esaminato le onde nella stratosfera inferiore a Watukosek, Indonesia (7.68S, 112.78E), per un periodo di 24 giorni tra febbraio e marzo 1990, quando il QBO era in una fase di shear occidentale. I dati di vento e temperatura, raccolti a intervalli di sei ore con una risoluzione verticale di 150 metri, hanno mostrato una chiara propagazione di fase verso il basso nella stratosfera inferiore (al di sopra di circa 16 km di altitudine), con una lunghezza d’onda verticale di circa 3 km e un periodo di circa 2 giorni. Osservazioni simili sono state fatte anche per le fluttuazioni dei venti zonali e meridionali, con ampiezze di circa 3 m/s per il vento orizzontale e 2 K per la temperatura.

Attraverso l’analisi hodografica, assumendo che queste fluttuazioni fossero dovute a onde piane di inerzia-gravità, Tsuda et al. hanno dimostrato che la maggior parte dell’attività ondosa si propagava verso est e verso l’alto nella stratosfera inferiore. Osservazioni con caratteristiche simili sono state riportate durante una seconda campagna a Bandung, Indonesia, nel corso di un’altra fase di shear occidentale del QBO tra novembre 1992 e aprile 1993.

Studi statistici su queste onde equatoriali di inerzia-gravità sono stati condotti utilizzando i dati dei radiosondaggi operativi a Singapore (1.48N, 104.08E). Analizzando dati raccolti nell’arco di dieci anni, Maruyama (1994) e Sato et al. (1994) hanno studiato le variazioni annue dell’attività delle onde con periodi da 1 a 3 giorni nella stratosfera inferiore. L’estrazione delle onde basata sui loro periodi si è rivelata utile, poiché la frequenza delle onde a terra rimane costante durante la propagazione in un campo di sfondo stabile. Per questi scopi, il QBO è considerato sufficientemente stabile per l’analisi delle onde di inerzia-gravità con periodi inferiori a diversi giorni, facilitando un’approfondita comprensione delle loro caratteristiche e impatti.Nel 1994, Maruyama ha condotto un’analisi approfondita su come il vento zonale e la variazione temporale della temperatura interagiscono nei fenomeni meteorologici di breve periodo, da uno a tre giorni. Utilizzando dati dettagliati raccolti tramite radiosondaggi, è stata possibile una stima del flusso di momento zonale verticale per unità di densità, essenziale per comprendere meglio i movimenti atmosferici durante i moti adiabatici. Questo studio ha evidenziato che il flusso di momento era principalmente positivo e di magnitudine comparabile a quella delle onde di Kelvin a lungo periodo durante la fase di shear occidentale del QBO.

Parallelamente, Sato et al., nel 1994, hanno esaminato le variazioni interannuali dell’energia e dei cross spettri di vento orizzontale e fluttuazioni di temperatura, concentrando l’analisi su periodi che variano da uno a venti giorni, a Singapore. Hanno scoperto che le ampiezze spettrali raggiungono i loro massimi intorno alla tropopausa per tutte le componenti analizzate, benché ci siano lievi variazioni nell’altitudine di questi massimi. In particolare, hanno osservato che gli spettri di temperatura e di vento zonale erano massimi intorno a un periodo di dieci giorni, il che corrisponde alle caratteristiche delle onde di Kelvin. Man mano che si scende nella stratosfera inferiore, il periodo delle onde tende a ridursi, con onde che a 20 km hanno un periodo di nove giorni e a 30 km di sei giorni. Al contrario, gli spettri dei venti meridionali mostrano un picco intorno ai cinque giorni, leggermente al di sotto della tropopausa, indicativo delle onde di Rossby-gravità, le quali vedono anch’esse una riduzione del periodo con l’aumento dell’altitudine, in accordo con le analisi precedenti.

Questi risultati dimostrano che le ampiezze spettrali sono notevolmente elevate anche per periodi inferiori a due-tre giorni, analogamente a quanto osservato per le onde di Kelvin a lungo periodo e per le onde di Rossby-gravità. È stato inoltre osservato che l’attività delle onde di inerzia-gravità e delle onde di Kelvin è strettamente correlata con le fasi del QBO. Analisi più dettagliate, come mostrato in specifiche rappresentazioni grafiche, indicano chiaramente che i picchi dominanti nelle variazioni di temperatura e di vento zonale si verificano nei range di uno a tre giorni durante entrambe le fasi del QBO e intorno al periodo di dieci giorni durante la fase di shear occidentale del QBO, correlati strettamente con le onde di Kelvin.

Queste osservazioni sottolineano l’importanza di considerare sia la componente temporale che spaziale nella modellazione e nell’interpretazione dei dati atmosferici, particolarmente nel contesto del QBO, dove la dinamica delle onde gioca un ruolo cruciale. Questa comprensione ampliata è vitale per affinare i modelli previsionali e per migliorare la nostra capacità di prevedere e mitigare gli impatti dei cambiamenti atmosferici su scala globale.Nel 1994, Maruyama ha compiuto uno studio fondamentale analizzando la covarianza tra il vento zonale e la variazione temporale della temperatura per componenti di onde con periodi tra uno e tre giorni. Questa analisi ha rivelato che, durante la fase di shear occidentale del Quasi-Biennial Oscillation (QBO), si osservano valori significativamente negativi intorno a un periodo di dieci giorni, indicativi di un flusso di momento positivo associato alle onde di Kelvin. Tale tendenza, tuttavia, non si manifesta con chiarezza nei periodi più brevi nei spettri in quadratura. È interessante notare che nei cospettri, che analizzano l’intera gamma di frequenze, si osserva una chiara sincronizzazione con il QBO, con la presenza di valori sia positivi che negativi nelle fasi di shear occidentale e orientale rispettivamente, sebbene i valori negativi risultino deboli intorno al periodo di dieci giorni.

Questo fenomeno non trova spiegazione nella teoria classica delle onde equatoriali che presuppone un vento di fondo uniforme, la quale predice che la covarianza tra temperatura e componente zonale del vento dovrebbe essere essenzialmente nulla. Tuttavia, Dunkerton nel 1995, attraverso analisi teoriche e numeriche, ha esplorato questa covarianza per onde di inerzia-gravità bidimensionali in un vento di fondo con shear verticale, concludendo che la covarianza è proporzionale allo shear verticale e al flusso verticale di momento orizzontale, o stress di radiazione, indipendentemente dalla direzione di propagazione delle onde di inerzia-gravità. Questa conclusione è coerente qualitativamente con le osservazioni.

Ulteriormente, Sato e Dunkerton nel 1997 hanno stimato i flussi di momento associati a onde con periodi da uno a tre giorni, basandosi sui dati ottenuti dai cospettri e spettri in quadratura delle componenti di temperatura e vento a Singapore. A differenza delle onde di Kelvin, che si propagano esclusivamente verso est, le onde di inerzia-gravità possono propagarsi sia verso est che verso ovest. Ciò significa che le stime nette del flusso di momento ottenute dagli spettri in quadratura possono rappresentare il residuo di una cancellazione tra valori positivi e negativi. Invece, i cospettri corrispondono alla somma dei valori assoluti dei flussi di momento positivi e negativi. Utilizzando stime indirette dei flussi di momento dai cospettri e stime dirette dagli spettri in quadratura, è possibile ottenere separatamente le parti positive e negative dei flussi di momento.

Le stime dirette del flusso di momento per le onde di Kelvin, con periodi da cinque a venti giorni, sono coerenti entro l’errore di stima con quelle indirette, supportando così la validità del metodo indiretto. Tuttavia, per i periodi da uno a tre giorni, si osserva una grande discrepanza tra le stime indirette e dirette, indicando una significativa cancellazione tra i flussi di momento positivi e negativi. Questa complessa dinamica sottolinea l’importanza di considerare entrambe le direzioni di flusso e le varie scale temporali per comprendere pienamente il ruolo delle onde nell’influenzare il QBO.L’analisi dei flussi di momento nelle onde atmosferiche presenta sfide significative, particolarmente a causa delle ambiguità che emergono quando si assumono specifiche strutture d’onda. Se si considerano modelli di onde intrappolate equatorialmente, i valori stimati del flusso di momento dovrebbero essere ridotti significativamente, da un 30% a un 70%. Tuttavia, una complicazione aggiuntiva nasce dall’aliasing dovuto a onde ad alta frequenza, caratteristiche di dati raccolti due volte al giorno, come quelli provenienti dai radiosondaggi a Singapore. In questi casi, il flusso di momento effettivo potrebbe essere notevolmente più elevato di quello rappresentato nei grafici convenzionali.

Nonostante queste complessità, è evidente che le onde di gravità o di inerzia-gravità con periodi intermedi presentano un flusso di momento considerevole rispetto alle onde di Kelvin e Rossby-gravità. Questa osservazione è supportata dalle analisi di Sato e Dunkerton nel 1997, che indicano che i flussi di momento associati alle onde di gravità che si propagano sia verso est che verso ovest sono quasi equivalenti, sebbene vi sia una leggera predominanza delle onde che si propagano verso est nelle fasi di shear orientate verso est.

Questa conclusione è coerente con i risultati di studi osservativi precedenti, come quelli condotti da Cadet e Teitelbaum nel 1979 e da Tsuda e colleghi nel 1994, che hanno documentato una dominanza delle onde di gravità che si propagano in direzione est (o ovest) nelle fasi corrispondenti del QBO. Queste osservazioni suggeriscono che è più probabile rilevare onde con lunghezze d’onda verticali più brevi—che corrispondono a frequenze intrinseche minori—quando queste si propagano in conformità con la direzione del shear del QBO.

Per onde con identico flusso di momento ma frequenze intrinseche differenti, si osserva che le ampiezze delle componenti del vento zonale e della temperatura sono maggiori per quelle onde con la frequenza intrinseca inferiore. È interessante notare che onde di gravità che si muovono verso ovest con velocità di fase intrinseche basse, e quindi con lunghezze d’onda verticali ridotte, non sono tipicamente osservate nelle fasi di shear orientate verso est del QBO, poiché queste onde tenderebbero a incontrare livelli critici o ad essere assorbite a quote inferiori.

Inoltre, onde di gravità con elevate velocità di fase intrinseche che trasportano un flusso di momento significativo potrebbero esistere ma non essere riconosciute nei dati dei radiosondaggi a causa delle loro lunghezze d’onda verticali eccessivamente lunghe e delle loro basse ampiezze in termini di vento zonale e temperatura. Pertanto, nelle fasi di shear orientate verso est (o verso ovest), solo le onde di gravità che si muovono verso est (o verso ovest) con piccole velocità di fase intrinseche sono abbastanza evidenti da essere osservate, riflettendo le sfide e le limitazioni associate all’analisi dei dati atmosferici in questo contesto.

Nel 1994, Bergman e Salby hanno condotto uno studio innovativo per quantificare l’attività delle onde equatoriali che si propagano nella stratosfera. Utilizzando immagini ad alta risoluzione del pattern convettivo globale e basandosi su supposizioni semplici relative alla correlazione tra variazioni delle nubi e le proprietà delle onde generate, hanno ottenuto risultati significativi. La loro analisi ha prodotto una mappa geografica che illustra la distribuzione della componente verticale del flusso di Eliassen-Palm, mostrando che le onde con periodi inferiori a due giorni presentano un flusso molto maggiore rispetto a quelle a periodo più lungo.

Queste onde a breve periodo si mostrano particolarmente intense sopra i continenti africano e americano, così come in una vasta area che si estende dall’Oceano Indiano al Pacifico tropicale occidentale. Tuttavia, pur fornendo indicazioni preziose sulle zone di maggiore attività ondulatoria, lo studio di Bergman e Salby non offre stime quantitative dei flussi d’onda effettivi. Nonostante questo, il loro lavoro sostiene con forza l’idea che le onde di dimensioni intermedie e piccole svolgano un ruolo cruciale nel contribuire alla dinamica del QBO.

L’analisi evidenzia che il contributo di queste onde è significativamente maggiore rispetto a quello delle onde equatoriali di scala planetaria, essendo circa 2,5 volte superiore. Inoltre, si osserva che la maggior parte dell’attività legata alle onde di scala più piccola è associata a velocità di fase zonale che si inseriscono all’interno delle velocità del vento caratteristiche del QBO.

Un altro aspetto interessante emerso dallo studio è il meccanismo di eccitazione delle onde di inerzia-gravità, che può avvenire attraverso un processo di auto-organizzazione in cui le onde e la convezione si sostengono reciprocamente. Alternativamente, questo può avvenire in modo più semplice come risultato di attività convettive irregolari e apparentemente casuali, quando elementi convettivi colpiscono uno strato stratificato superiore. Questo processo di auto-organizzazione di onde e convezione tende a verificarsi su scale orizzontali e temporali più estese, come dimostrato da studi successivi condotti da ricercatori quali Takayabu et al., Wada et al., e Wheeler e Kiladis.

In sintesi, i risultati di Bergman e Salby, insieme a studi successivi, sottolineano l’importanza delle onde di scala minore e intermedia nel modellare le dinamiche del QBO, ampliando la nostra comprensione di come i processi atmosferici su larga scala interagiscono con fenomeni meteorologici più localizzati e di breve durata.

La Figura 8 illustra una sezione di tempo e altezza delle fluttuazioni di breve periodo (meno di 4 giorni) per due variabili atmosferiche specifiche misurate a Watukosek, Indonesia, durante un intervallo di 24 giorni tra febbraio e marzo del 1990. Questa visualizzazione è tratta dallo studio di Tsuda et al. [1994b].

1. Componente nord della velocità (Panello a): Questo pannello rappresenta le variazioni della componente nord della velocità del vento attraverso diversi strati atmosferici, estendendosi da circa 20 a 35 km di altitudine. Le variazioni sono quantificate in metri al secondo (m/s), con una scala di colori che va dal bianco al nero, situata sul lato destro del grafico. I valori più scuri (neri) indicano un movimento del vento verso nord, mentre i valori più chiari (bianchi) indicano un movimento verso sud. L’intensità e la frequenza delle variazioni sono indicate dalla densità dei punti neri o bianchi, fornendo una visualizzazione immediata delle fluttuazioni significative della velocità del vento in questo periodo e intervallo di altitudine.

2. Temperatura (Panello b): Il secondo pannello mostra le fluttuazioni della temperatura atmosferica, registrate ai medesimi livelli di altitudine del primo pannello. Queste variazioni sono espresse in Kelvin (K) e vengono anch’esse visualizzate attraverso una scala di colori che varia dal bianco al nero. I valori più scuri rappresentano temperature superiori alla media, mentre i valori più chiari indicano temperature inferiori alla media. Come nel caso della velocità del vento, l’aggregazione di punti scuri o chiari evidenzia le aree di maggiore variazione termica, suggerendo dinamiche atmosferiche attive durante il periodo di osservazione.

Insieme, questi pannelli forniscono una rappresentazione dettagliata e facilmente interpretabile delle dinamiche di breve periodo nell’alta atmosfera sopra Watukosek. Analizzando questi dati, gli scienziati possono identificare modelli di comportamento atmosferico che sono cruciali per comprendere fenomeni come le onde di gravità o di inerzia-gravità, e il loro impatto o correlazione con altre fasi o aspetti del Quasi-Biennial Oscillation (QBO). Queste visualizzazioni non solo aiutano a decifrare la struttura verticale e temporale delle variazioni meteorologiche ma anche a correlare questi cambiamenti con eventi atmosferici più ampi o teorie esistenti sulla dinamica atmosferica.

La Figura 4 presenta una serie di spettri di potenza e cospettri per le fluttuazioni di temperatura (T) e componente zonale del vento (u) registrate a Singapore, mostrando dettagliatamente come queste variano nel tempo e si correlano all’ambito del Quasi-Biennial Oscillation (QBO). Questi grafici sono mediati su un’altitudine di 20-25 km e coprono il periodo degli anni dal 1984 al 1992, offrendo un quadro esaustivo della dinamica atmosferica in questo intervallo.

1. Spettro di Potenza per la Temperatura (Panello a): Questo grafico è una rappresentazione visiva dell’energia delle fluttuazioni termiche nel tempo. L’uso di un intervallo di contorno di 0,5 K² permette di distinguere le variazioni di intensità, con i colori che vanno dal rosso al giallo per indicare valori positivi crescenti. Questo mostra periodi e altitudini in cui la variazione termica è più marcata, evidenziando potenziali momenti di significativa instabilità atmosferica o di attività dinamica rilevante.

2. Spettro di Potenza per la Componente u del Vento (Panello b): Analogamente al pannello precedente, questo grafico mostra l’energia delle fluttuazioni della componente zonale del vento, u. Utilizzando un intervallo di contorno di 2 (m/s)², i colori più caldi indicano un’intensa attività delle fluttuazioni del vento. Queste informazioni sono cruciali per comprendere la dinamica del vento zonale e la sua interazione con altri parametri atmosferici.

3. Cospettro di T e u (Panello c): Il cospettro tra le componenti di temperatura e vento zonale fornisce una misura di come queste due variabili covariano nel tempo. Con un intervallo di contorno di 0,5 K(m/s), i colori rossi indicano covarianze positive, mentre i blu indicano valori negativi, suggerendo fasi di correlazione o anticorrelazione tra temperatura e vento. Questo pannello è fondamentale per analizzare le interdipendenze tra i campi di temperatura e di movimento dell’aria.

4. Spettro in Quadratura di T e u (Panello d): Questo grafico illustra la relazione di fase tra le fluttuazioni di temperatura e vento, utilizzando lo stesso intervallo di contorno del cospettro. La presenza di colori che variano dal rosso al blu mostra le differenze di fase tra le fluttuazioni, offrendo una prospettiva più approfondita sulle dinamiche temporali e verticali tra questi due elementi atmosferici.

La linea solida e spessa nel grafico rappresenta una serie temporale di riferimento per il QBO, che aiuta a correlare le osservazioni nei grafici con le fasi del QBO. Questa analisi dettagliata fornisce una comprensione approfondita delle interazioni e delle correlazioni tra temperatura e dinamiche del vento nell’alta stratosfera, offrendo spunti sulla periodicità e l’influenza di questi fenomeni in relazione al ciclo biennale quasi costante del QBO.

La Figura 9, tratta da uno studio di Sato e Dunkerton [1997], fornisce una rappresentazione grafica delle stime dei flussi di momento per componenti di breve periodo (1-3 giorni) associate alle fasi di shear occidentale e orientale del Quasi-Biennial Oscillation (QBO). Questi grafici sono essenziali per analizzare la dinamica del trasporto di momento atmosferico e il suo impatto sulle più ampie dinamiche climatiche.

1. Pannelli di Sinistra (Stime Indirette): Nei pannelli a sinistra di entrambe le sottosezioni (a) per la fase di shear occidentale (U_z > 0) e (b) per la fase di shear orientale (U_z < 0), sono illustrate le stime indirette dei flussi di momento. Queste rappresentano la somma dei valori assoluti dei flussi di momento, sia positivi che negativi. Il metodo di visualizzazione fornisce una misura complessiva dell’intensità del trasporto di momento, mostrando un marcato picco soprattutto nella fase di shear occidentale, il che indica una significativa attività di trasporto verso l’alto in questa fase del ciclo. Nel pannello per la fase di shear orientale, si osserva un profilo simile, sebbene con intensità variegate, che riflette le fluttuazioni nelle dinamiche atmosferiche attraverso le diverse fasi del QBO.

2. Pannelli di Destra (Stime Dirette): I grafici a destra forniscono stime dirette dei flussi di momento, rappresentando il flusso netto di momento. Questi grafici offrono una visione più dettagliata del bilancio effettivo tra i flussi di momento ascendenti e discendenti. Nella fase di shear occidentale, è evidente un picco netto e pronunciato vicino alla superficie, che si attenua aumentando in altitudine, sottolineando una predominanza di flussi di momento ascendente. Per la fase di shear orientale, il profilo è più omogeneo e meno marcato, indicando una minore attività di flusso di momento netto.

Queste differenze tra le stime indirette e dirette nei vari pannelli riflettono la complessità e la varietà del trasporto di momento nell’atmosfera. Mentre le stime indirette aggregano l’effetto complessivo del trasporto, le stime dirette mettono in luce la direzionalità specifica e il bilancio netto dei flussi. La comprensione di questi processi è fondamentale per apprezzare come le variazioni atmosferiche a breve termine influenzano fenomeni meteorologici più estesi e complessi, come il QBO, che a sua volta gioca un ruolo cruciale nel modellare i pattern climatici globali.

3.2.3. Analisi delle Onde di Gravità Generate dalla Convezione Profonda nei Tropici

La convezione profonda nei tropici si afferma come un generatore predominante di onde di gravità ad alta frequenza. Le simulazioni numeriche che includono l’analisi fino alle altitudini stratosferiche, come evidenziato in studi quali quelli di Fovell et al. (1992), Alexander et al. (1995) e Alexander e Holton (1997), hanno dimostrato la presenza marcata di queste onde di gravità al di sopra delle nubi convettive. La teoria sostiene che esista una correlazione significativa tra le onde ad alta frequenza osservate nella bassa stratosfera e i sistemi convettivi che le originano, poiché la propagazione dell’energia avviene prevalentemente in direzione verticale. Queste simulazioni indicano che le onde di gravità ad alta frequenza trasportano flussi notevoli di quantità di moto, il che suggerisce un loro possibile impatto significativo nella dinamica del Quasi-Biennial Oscillation (QBO), come proposto da Alexander e Holton.

Diverse ricerche osservative hanno identificato onde di gravità di grande ampiezza e ad alta frequenza nella stratosfera delle medie latitudini, direttamente al di sopra di intense attività convettive troposferiche. Lavori come quelli di Röttger (1980), Larsen et al. (1982), e Sato (1992, 1993), con Sato et al. (1995), hanno documentato tali fenomeni. In particolare, Sato è riuscito a quantificare i flussi di quantità di moto verticali mediati da queste onde, trovando valori considerevoli che superano di un ordine di grandezza il flusso necessario perché le onde di gravità tropicali svolgano un ruolo significativo nel QBO.

Ulteriori rilevamenti sono stati effettuati attraverso osservazioni aeree nella bassa stratosfera. L’aereo ER-2 della NASA, operativo fino a circa 20 km di altitudine, ha partecipato a numerose campagne che comprendevano voli nella stratosfera tropicale. Le misurazioni di venti e temperature effettuate durante questi voli hanno facilitato l’identificazione di onde di gravità con lunghezze d’onda orizzontali brevi, collegate a fenomeni di convezione cumuliforme in regioni come Panama e il nord Australia. Gli studi di Pfister et al. (1986, 1993a, 1993b) hanno introdotto il concetto di “topografia convettiva” come meccanismo produttivo di queste onde e hanno utilizzato modelli per stimare il flusso di quantità di moto verticale che potrebbe essere generato, nonché l’implicazione di tali flussi sul bilancio di quantità di moto del QBO. Queste stime, benché modeste (circa il 10% rispetto alle forze d’onda su scala planetaria), suggeriscono che meccanismi di forzamento alternativi potrebbero essere attivi, e che gli effetti delle onde ad alta frequenza potrebbero essere sottostimati. Le stime rimangono incerte anche a causa della distribuzione geografica e della frequenza di occorrenza poco conosciute delle onde di gravità indotte dalla convezione, basate solamente su alcuni studi di caso.Nel loro studio del 1995, Alexander e Pfister hanno impiegato dati relativi ai venti orizzontali e verticali per calcolare il flusso di quantità di moto lungo una traiettoria di volo dell’ER-2, sorvolando aree di intensa convezione situate a nord dell’Australia. Questo flusso di quantità di moto ha evidenziato principalmente le onde di periodo più breve, registrando valori eccezionalmente elevati, prossimi a 0.1 Pa, al di sopra delle nuvole più estese e più elevate. In seguito, una correlazione più ampia di questi dati con la temperatura alla sommità delle nubi è stata documentata da Alexander et al. nel 2000, i cui risultati sono stati illustrati nella Figura 12. Tali risultati indicano che i valori elevati di flusso di quantità di moto sono strettamente correlati alla convezione profonda e presentano magnitudini paragonabili a quelle osservate nelle simulazioni bidimensionali della convezione tropicale, come descritto in lavori precedenti di Alexander e Holton nel 1997.

Un’analisi osservativa successiva, riportata sempre da Alexander et al. nel 2000, ha però rivelato la presenza di flussi di quantità di moto ridotti in altre regioni geografiche. Nonostante l’incertezza relativa alla distribuzione geografica e stagionale di questi flussi, i dati accumulati suggeriscono un ruolo potenzialmente significativo delle onde di gravità ad alta frequenza nel modellare la dinamica del Quasi-Biennial Oscillation (QBO).

Parallelamente, le analisi dei rawinsonde effettuate a bassa latitudine, specificatamente intorno ai 12°S come descritto da Allen e Vincent nel 1995, hanno rivelato un ciclo stagionale delle onde di gravità, sottolineando l’importanza della convezione come fonte primaria durante la stagione del monsone di dicembre-febbraio. Questi dati inizialmente rappresentavano soltanto un anno di osservazioni. Tuttavia, analisi prolungate dei dati raccolti nell’arco di sei anni dall’Isola di Cocos, situata anch’essa a circa 12°S, hanno confermato una correlazione simile con la stagione monsonica. Questa correlazione è risultata essere influenzata dalle fasi del QBO, come approfondito da Vincent e Alexander nel 2000. In particolare, i periodi con il massimo flusso di quantità di moto coincidevano con i venti alisei più intensi, durante i quali le onde tendevano a propagarsi prevalentemente verso est.

I calcoli teorici paralleli riguardanti la propagazione delle onde di gravità e la loro interazione con il flusso atmosferico di fondo hanno fornito un supporto qualitativo al meccanismo della topografia convettiva, evidenziando l’anisotropia nella direzione di propagazione delle onde e suggerendo che le onde si originino ad altitudini particolarmente elevate, vicino alla tropopausa. Infine, Karoly et al., nel 1996, hanno osservato una correlazione tra l’attività delle onde di gravità-inerzia e la convezione profonda nei dati di sondaggio tropicale, confermando ulteriormente l’interconnessione tra questi fenomeni meteorologici e la convezione intensa nei tropici.

La figura illustrata offre una rappresentazione dettagliata della distribuzione geografica della componente verticale del flusso di Eliassen-Palm, classificata in base alla durata dei periodi delle onde equatoriali. Questo concetto meteorologico è fondamentale per l’analisi del trasporto di quantità di moto e energia tramite onde atmosferiche, essenziale per comprendere i meccanismi di interazione tra diverse scale di movimento nell’atmosfera.

Nel pannello (a) della figura, il focus è sulle onde con periodi superiori ai 5 giorni. La visualizzazione mostra una distribuzione geografica concentrata principalmente nelle regioni equatoriali e sub-equatoriali, con un’accentuata presenza nell’Oceano Pacifico. Questo indica che le onde di periodo più lungo sono prevalentemente attive in queste aree, suggerendo una dinamica atmosferica che potrebbe influenzare fenomeni meteorologici su scala temporale estesa.

Passando al pannello (b), l’attenzione si sposta sulle onde con periodi compresi tra 2 e 5 giorni. Qui, la distribuzione si estende, coprendo non solo il Pacifico ma anche significative aree del Sud-Est asiatico e dell’Oceano Indiano. Questo ampliamento della distribuzione è indicativo di un’attività ondulatoria più frequente e intensa, che potrebbe essere associata a dinamiche atmosferiche di media scala, inclusi i sistemi frontali e le perturbazioni monsoniche che caratterizzano queste regioni.

Infine, il pannello (c) mostra il flusso per onde con periodi inferiori ai 2 giorni. La figura evidenzia la più ampia e intensa distribuzione di attività, particolarmente marcata nella regione del Pacifico occidentale e centrale. Questo pannello rivela un’attività significativa delle onde di breve periodo, che sono cruciali per il trasporto rapido di energia e quantità di moto attraverso l’atmosfera. Le onde brevi sono spesso associate a fenomeni meteorologici severi e rapidamente mutabili, come tempeste tropicali e cicloni.

Le unità utilizzate per il flusso di Eliassen-Palm sono arbitrarie, e gli incrementi dei contorni sono lineari, il che facilita la comparazione visiva tra i diversi pannelli ma sottolinea la necessità di interpretare i dati in termini relativi piuttosto che assoluti. Questo approccio mette in evidenza le differenze nell’intensità e nella distribuzione delle onde atmosferiche a seconda della loro durata, offrendo spunti cruciali sulla loro possibile influenza sulla dinamica atmosferica globale.

In sintesi, questa rappresentazione fornisce una comprensione visiva e quantitativa del modo in cui le diverse categorie di onde equatoriali contribuiscono alla struttura e alla dinamica dell’atmosfera terrestre, un aspetto essenziale per avanzare nella conoscenza dei sistemi meteorologici complessi e delle loro interazioni su scala globale.

La figura rappresentata illustra dettagliatamente le onde di gravità nella stratosfera generate da un fenomeno di convezione tropicale simulato. L’analisi di tali visualizzazioni è cruciale per la comprensione delle dinamiche atmosferiche influenzate da processi convettivi intensi, che si estendono verticalmente dalla troposfera alla stratosfera.

Nell’immagine, le diverse tonalità di grigio indicano le velocità verticali nell’ambito della simulazione atmosferica. Queste velocità sono rappresentate su una scala che va da -1.2 m/s a +1.2 m/s, specificatamente scelta per accentuare le perturbazioni delle onde nella stratosfera. È fondamentale notare che, nonostante questa scala, i valori massimi di velocità nella troposfera possono superare significativamente questa gamma, raggiungendo punte superiori a 65 m/s. Questo dettaglio sottolinea la presenza di movimenti verticali estremamente vigorosi legati alla convezione.

Le linee sottili che attraversano la figura rappresentano i contorni della temperatura potenziale, disposti a intervalli di 10 K. Questi contorni sono essenziali per visualizzare la stratificazione verticale dell’atmosfera e per comprendere il trasferimento di energia e massa che si verifica durante eventi convettivi.

Inoltre, le linee più spesse delineano il profilo del nuvolone temporalesco generato dalla simulazione. Questo contorno aiuta a identificare la posizione e l’estensione del sistema nuvoloso in relazione alle perturbazioni osservate nelle velocità verticali e nella stratificazione termica.

Questa figura è particolarmente informativa poiché mette in luce l’interazione tra la convezione nella troposfera e i processi atmosferici nella stratosfera. Le onde di gravità, visibili attraverso le variazioni delle velocità verticali e le deformazioni nei contorni di temperatura potenziale, manifestano una dinamica complessa di scambio energetico. Queste interazioni sono fondamentali per il nostro approfondimento sui meccanismi che governano il trasferimento di energia e quantità di moto attraverso le diverse sezioni dell’atmosfera, influenzando fenomeni meteorologici di vasta scala come il Quasi-Biennial Oscillation (QBO) e altri importanti modelli di circolazione atmosferica.

Complessivamente, l’analisi di tali visualizzazioni fornisce un contributo significativo alla nostra comprensione delle dinamiche atmosferiche e offre spunti vitali per future ricerche sui legami tra convezione tropicale e variazioni meteorologiche e climatiche a livello globale.

La figura rappresentata deriva da uno studio condotto da Alexander et al. [2000] e mostra due aspetti fondamentali del flusso di quantità di moto delle onde di gravità nella stratosfera, osservati durante voli sopra l’oceano a nord dell’Australia nel periodo di gennaio-febbraio 1987, nell’ambito della campagna tropicale STEP.

Nel Pannello (A) – Flusso di quantità di moto delle onde di gravità rispetto alla temperatura della cima delle nuvole: Questo grafico mette in relazione il flusso di quantità di moto delle onde di gravità nella stratosfera (misurato in Pa) con la temperatura della cima delle nuvole sottostanti. L’asse orizzontale rappresenta la temperatura della cima delle nuvole espressa in kelvin (K), mentre l’asse verticale indica il flusso di quantità di moto in pascal (Pa). Si osserva chiaramente che il flusso di quantità di moto tende a diminuire man mano che la temperatura della cima delle nuvole aumenta. Questo andamento suggerisce che le nuvole più fredde, probabilmente più elevate e dense, sono collegate a onde di gravità più robuste, capaci di trasportare quantità di moto significative verso l’alto, influenzando così la dinamica atmosferica stratosferica.

Nel Pannello (B) – Distribuzione direzionale del flusso di quantità di moto: Il secondo grafico illustra la distribuzione direzionale del flusso di quantità di moto, come misurato durante le osservazioni. L’asse orizzontale elenca la direzione di propagazione delle onde – Est, Nord, Ovest, Sud, Est – e l’asse verticale mostra il flusso di quantità di moto. I punti indicano i valori medi del flusso di quantità di moto per ogni direzione, con barre di errore che rappresentano gli intervalli di incertezza. Dall’analisi di questo grafico emerge che non esistono variazioni significative nel flusso di quantità di moto in funzione della direzione di propagazione, il che implica una distribuzione relativamente omogenea delle onde di gravità in tutte le direzioni.

In sintesi, queste figure offrono una visione dettagliata e comprensiva di come il flusso di quantità di moto delle onde di gravità varia in relazione alla temperatura delle nuvole e alla direzione di propagazione. Questi dati sono essenziali per la comprensione delle interazioni tra onde di gravità e la circolazione stratosferica, fornendo indicazioni preziose per ulteriori ricerche sulla dinamica atmosferica e i processi meteorologici ad essa collegati.

3.3. Modelli Numerici del QBO (Oscillazione Quasi-Biennale)

3.3.1. Modelli Unidimensionali

Nel campo della meteorologia e climatologia, l’approccio con modelli unidimensionali riveste un ruolo essenziale per l’analisi e la comprensione del comportamento dell’Oscillazione Quasi-Biennale (QBO) in relazione alla struttura atmosferica reale. Questi modelli, caratterizzati dalla rappresentazione dei campi di vento e delle onde come funzioni esclusivamente dell’altezza, consentono di esplorare una varietà di fenomeni associati al QBO che trovano corrispondenza nell’atmosfera terrestre.

La giustificazione della unidimensionalità di tali modelli si trova, per esempio, nell’opera pionieristica di Holton e Lindzen (1972), che hanno proceduto all’integrazione delle equazioni dinamiche lungo la latitudine per derivare formule evolutive del flusso zonale esteso attraverso i tropici. Tale metodologia si rivela particolarmente efficace per lo studio delle onde di Kelvin, le quali mostrano una dipendenza primaria dal vento quasi-equatoriale e generano un profilo relativamente semplice del forcing del flusso medio.

Al contrario, altre onde equatoriali subiscono influenze significative a causa dello shear latitudinale e, di conseguenza, originano profili latitudinali del forcing del flusso medio più complessi, come evidenziato da studi quali quelli di Andrews e McIntyre (1976), Boyd (1978) e Dunkerton (1983a). Le onde di gravità ad alta frequenza, che si propagano prevalentemente in verticale, trovano una descrizione più agevole in un modello unidimensionale. Tuttavia, è importante considerare la variabilità stagionale delle sorgenti di queste onde, dovuta alla distribuzione stagionalmente variabile della convezione tropicale, come discusso da Allen e Vincent (1995).

Nonostante i vantaggi legati alla loro semplicità, l’utilizzo dei modelli unidimensionali presenta limitazioni sostanziali, soprattutto per quanto riguarda il realismo nella rappresentazione dei fenomeni atmosferici. La loro utilità si manifesta principalmente nel fornire una comprensione preliminare e semplificata dei processi studiati. Ad esempio, Plumb (1977) ha analizzato le onde di gravità non rotanti per illustrare diverse proprietà fondamentali associate al comportamento del QBO.

I modelli unidimensionali hanno trovato applicazione nello studio di vari aspetti del forcing delle onde del QBO, includendo effetti come lo smorzamento radiativo dipendente dalla scala delle onde (Hamilton, 1981), l’impiego di onde di Rossby che si propagano lateralmente (Dunkerton, 1983b), l’auto-accelerazione della velocità di fase delle onde e la saturazione delle onde (Tanaka e Yoshizawa, 1987), l’upwelling associato alla circolazione di Hadley tropicale (Saravanan, 1990) e le variazioni interannuali del forcing (Geller et al., 1997). Questi modelli risultano inoltre preziosi per l’interpretazione dei risultati ottenuti da modelli più complessi, bidimensionali o tridimensionali, come sottolineato da Dunkerton (1997).

In conclusione, i modelli unidimensionali del QBO, pur con i loro limiti, rappresentano uno strumento indispensabile per la comprensione delle dinamiche atmosferiche legate all’Oscillazione Quasi-Biennale, fungendo da trampolino di lancio per analisi più dettagliate e realistiche fornite da modelli di maggiore complessità.

3.3.2. Modelli Bidimensionali per lo Studio dell’Oscillazione Quasi-Biennale (QBO)

L’analisi del comportamento dell’Oscillazione Quasi-Biennale (QBO) può essere efficacemente condotta attraverso l’impiego di modelli che considerano variazioni solamente latitudinali e verticali. Questi modelli sono particolarmente pertinenti per indagare la struttura latitudinale della QBO, ma trovano anche applicazione in studi più ampi che esaminano le interazioni della QBO con il ciclo annuale e i suoi effetti sulla distribuzione di traccianti atmosferici, argomenti che verranno trattati con maggiore dettaglio nella Sezione 5.

Il primo studio approfondito che ha utilizzato un modello bidimensionale per esaminare la struttura latitudinale della QBO, inclusa la circolazione meridionale media, fu quello condotto da Plumb e Bell nel 1982. Nel loro lavoro, ipotizzarono che i flussi di quantità di moto delle onde fossero generati principalmente dalle onde di Kelvin equatoriali e dalle onde di Rossby-gravità. Per descrivere il campo dei venti in un dato istante, Plumb e Bell calcolarono la struttura di altezza e latitudine delle onde basandosi su un calcolo lineare in stato stazionario. Successivamente, utilizzarono questi flussi di quantità di moto e calore per alimentare le equazioni dinamiche simmetriche longitudinali, integrando un termine di raffreddamento Newtoniano per modellare l’attenuazione termica, e ricalcolarono la struttura delle onde a ogni passo temporale.

Nonostante il modello avesse simulato con successo il QBO, i ricercatori riconobbero delle limitazioni, in particolare la rappresentazione di un’ampiezza dell’oscillazione circa la metà di quella osservata nella realtà. Studi successivi di Dunkerton nel 1985 e di Takahashi nel 1987 introdussero metodologie diverse per il calcolo dei flussi di quantità di moto delle onde, riuscendo a simulare oscillazioni di ampiezza più realistica.

I modelli bidimensionali hanno dimostrato in modo esplicito che l’anomalia della circolazione meridionale del QBO si manifesta con un abbassamento all’equatore nelle zone di taglio occidentale e un sollevamento nelle zone di taglio orientale. Specificatamente, nelle zone di taglio occidentale, l’equazione del vento termico implica che il massimo di temperatura si verifichi all’equatore, mantenuto contro l’attenuazione termica dal riscaldamento adiabatico dovuto al movimento discendente. Il fenomeno opposto si verifica nelle zone di taglio orientale. Questi dinamismi sono cruciali per comprendere come la QBO influenzi la temperatura e altri parametri atmosferici su scala globale.

Il modello delle zone di taglio e delle circolazioni meridionali, illustrato schematicamente nella Figura 13, fornisce una rappresentazione visiva chiara di questi processi, contribuendo a una migliore comprensione delle complesse interazioni atmosferiche associate alla QBO. Questi modelli rimangono strumenti indispensabili per la ricerca atmosferica, permettendo agli scienziati di decifrare e prevedere i comportamenti della dinamica atmosferica con maggiore precisione.I modelli precedentemente discussi si focalizzavano primariamente sulle regioni equatoriali e non incorporavano un ciclo stagionale realistico per quanto riguarda venti e temperature. Un modello QBO realistico è stato sviluppato da Gray e Pyle nel 1989 attraverso l’utilizzo di un modello radiativo-dinamico completo, che integrava un ciclo stagionale accurato. Tuttavia, per ottenere un QBO realistico, fu necessario incrementare la forza parametrizzata del flusso di quantità di moto di un fattore tre rispetto a quello che sarebbe stato giustificabile utilizzando solo le onde di Kelvin e le onde di Rossby-gravità. Questo incremento della forzatura, che si presume derivi dalle onde di gravità e dalle onde inerzia-gravità, si è rivelato essenziale per permettere ai regimi di vento del QBO di propagarsi verso il basso nonostante l’ascensione climatologica nei tropici, come sottolineato da Dunkerton nel 1997.

Mengel e colleghi, nel 1995, hanno conseguito una oscillazione simile al QBO utilizzando un modello bidimensionale della media atmosfera, in cui il trasporto di momento angolare da parte dei vortici era attribuito esclusivamente alla parametrizzazione delle onde di gravità proposta da Hines nel 1997. Benché il QBO simulato in questo modello fosse caratterizzato da una forza e sensibilità alla diffusione verticale ridotte, la capacità della parametrizzazione di riprodurre fedelmente l’intera struttura di fase delle oscillazioni equatoriali osservate, come riportato da Burrage e colleghi nel 1996, evidenzia l’importanza critica delle onde di gravità, che presentano una vasta gamma di velocità di fase e la cui ampiezza aumenta con l’altitudine.

Le simulazioni bidimensionali effettuate da Gray e Pyle nel 1989 hanno dimostrato che l’influenza del QBO non si limita alle sole regioni equatoriali, ma si estende a tutte le latitudini. Questo fenomeno è evidenziato dalla circolazione QBO, caratterizzata da movimenti ascensionali o discensionali all’equatore, che vengono bilanciati da una circolazione contraria nelle regioni extra-equatoriali. Tale dinamica genera un’anomalia di temperatura nelle regioni subtropicali e nelle medie latitudini, che risulta essere di segno opposto a quella presente all’equatore. Questa configurazione di circolazioni e anomalie termiche, già descritta da Plumb e Bell nel 1982 e Dunkerton nel 1985, sottolinea la complessità e la vasta influenza del QBO nell’atmosfera terrestre.Un aspetto notevole dell’interazione del QBO (Oscillazione Quasi-Biennale) con il ciclo stagionale è l’evidente asimmetria interemisferica nei tempi e nell’ampiezza delle anomalie subtropicali, come discusso da Gray e Dunkerton nel 1990. Tale asimmetria si manifesta con una maggiore intensità della velocità meridionale e verticale nel QBO durante l’inverno dell’emisfero considerato, specialmente al di sopra dei 25 km, come evidenziato nelle ricerche di Jones et al. (1998) e Kinnersley (1999). Questo fenomeno è probabilmente dovuto, in parte, ai gradienti asimmetrici del momento angolare subtropicale che si verificano durante i solstizi.

La circolazione meridionale, influenzata da questi dinamismi, ha un impatto significativo sui traccianti chimici come l’ozono, generando segnali del QBO marcati in tali traccianti attraverso tutte le latitudini, con una pronunciata asimmetria tra gli emisferi. Inoltre, è plausibile considerare un considerevole feedback del QBO dell’ozono sulla dinamica stessa del QBO, poiché le variazioni dell’ozono comportano implicazioni radiative, influenzando in modo diretto il riscaldamento a onde corte. L’inclusione del collegamento tra le anomalie dell’ozono-QBO e i tassi di riscaldamento tende a mitigare il tasso di riscaldamento che altrimenti sarebbe stato calcolato a partire da una certa anomalia di temperatura nella bassa stratosfera. Studi come quelli di Hasebe (1994), Li et al. (1995), Kinnersley e Pawson (1996) e Randel et al. (1999) hanno evidenziato che questo effetto è cruciale per spiegare la correlazione di fase osservata nella bassa stratosfera tra i segnali del QBO relativi all’ozono e ai venti. In particolare, nella stratosfera superiore, il riscaldamento dovuto all’ozono intensifica la velocità verticale del QBO.

Importanti osservazioni di Plumb e Bell (1982b) hanno indicato che gli effetti advettivi della circolazione meridionale possono rendere conto dell’asimmetria osservata nella discesa degli alisei e dei venti occidentali. L’avvezione verso il basso del momento associato alla zona di taglio occidentale amplifica la discesa dei venti occidentali, mentre l’avvezione verso l’alto del momento legato al taglio orientale frena la discesa degli alisei. Questo effetto advettivo è particolarmente pronunciato vicino all’equatore, dove le velocità verticali sono più elevate, contribuendo a una maggiore concentrazione latitudinale dell’accelerazione dei venti occidentali e a un’espansione di quella dei venti orientali, come illustrato da Hamilton (1984), Dunkerton e Delisi (1985), Dunkerton (1985), Takahashi (1987) e Dunkerton (1991a).

In conclusione, la comprensione dettagliata del QBO e delle sue interazioni con altri fenomeni atmosferici, come il ciclo stagionale e la distribuzione dell’ozono, è fondamentale per decifrare la complessa rete di processi che regolano la dinamica della stratosfera e influenzano il clima globale.

La Figura 13 illustra schematicamente le sezioni latitudine-altezza che mostrano la circolazione meridionale media associata alle anomalie termiche equatoriali del QBO. Le linee continue rappresentano gli isoterme delle anomalie di temperatura, mentre le linee tratteggiate delineano gli isopleti dei venti zonali. I segni positivi e negativi indicano le direzioni delle accelerazioni del vento zonale, guidate dalla circolazione meridionale media.

Nel Pannello (a) – Zona di taglio occidentale (Westerly shear zone): In questa configurazione, si evidenzia un riscaldamento marcato (indicato con “WARM”) situato prevalentemente intorno all’equatore. Qui, la configurazione del vento zonale mostra accelerazioni verso est (Eastward) nella parte superiore e accelerazioni verso ovest (Westward) nella parte inferiore, come segnalato dai simboli più e meno. Questo schema suggerisce che il movimento ascendente e laterale dell’aria calda dall’equatore contribuisce a rafforzare i venti orientali nella parte alta e i venti occidentali nella parte bassa. La circolazione dell’aria calda è quindi un fattore chiave nella modulazione dei regimi di vento in questa zona di taglio.

Nel Pannello (b) – Zona di taglio orientale (Easterly shear zone): Al contrario, questa zona mostra un raffreddamento (indicato con “COLD”) concentrato attorno all’equatore. L’aria fredda tende a muoversi verso il basso e lateralmente dall’equatore. In questa disposizione, il vento zonale accelera verso ovest (Westward) nella parte superiore e verso est (Eastward) nella parte inferiore. Questo modello di flusso è il risultato del movimento discendente dell’aria fredda che si espande lateralmente, promuovendo il rafforzamento dei venti occidentali nella parte alta e dei venti orientali nella parte bassa.

Questi schemi illustrano l’influenza significativa delle variazioni di temperatura all’interno del QBO sulla circolazione meridionale e sui pattern dei venti zonali nell’atmosfera equatoriale. Le dinamiche di circolazione meridionale risultanti sono fondamentali per modulare le anomalie termiche attraverso l’advezione di masse d’aria calda o fredda, influenzando a loro volta le strutture dei venti zonali. Questa interazione tra temperatura, circolazione meridionale e venti zonali evidenzia la complessità e l’importanza della comprensione del QBO per studi climatologici e meteorologici.Le due fasi descritte nella Figura 13 del QBO (Oscillazione Quasi-Biennale), ovvero le zone di taglio occidentale e orientale, hanno impatti significativi sul vortice polare e, più in generale, sulla dinamica atmosferica alle alte latitudini. La comprensione di questi effetti è cruciale per interpretare i cambiamenti stagionali e i fenomeni meteorologici estremi nelle regioni polari.

Nella zona di taglio occidentale, dove si osservano accelerazioni del vento verso est nella parte superiore e verso ovest nella parte inferiore, si verifica una configurazione che può contribuire a un riscaldamento relativo dell’atmosfera equatoriale. Questo riscaldamento può ridurre la differenza di temperatura tra l’equatore e i poli, influenzando la stabilità del vortice polare. Durante gli anni dominati da una forte fase occidentale del QBO, il vortice polare tende a essere più debole e meno stabile. Una stabilità ridotta del vortice può portare a maggiori episodi di aria fredda polare che si sposta verso latitudini più basse, causando eventi di freddo estremo in zone altrimenti temperate.

D’altra parte, nella zona di taglio orientale, dove il vento zonale accelera verso ovest nella parte superiore e verso est nella parte inferiore, l’effetto è generalmente opposto. Il raffreddamento equatoriale intensifica il gradiente termico tra l’equatore e i poli, potenziando la stabilità del vortice polare. Durante gli anni in cui prevale la fase orientale del QBO, il vortice polare tende ad essere più forte e più coeso, limitando il movimento dell’aria fredda verso sud e mantenendo condizioni più stabili e fredde nei poli.

Questa dinamica interattiva tra il QBO e il vortice polare è ulteriormente complicata dalla presenza di altri fattori climatici e meteorologici, inclusi gli effetti dell’oscillazione nord-atlantica (NAO) e il fenomeno di El Niño-Southern Oscillation (ENSO). L’interazione tra questi diversi sistemi può amplificare o mitigare gli effetti descritti, rendendo la previsione del clima e del tempo a latitudini elevate particolarmente sfidante.

Complessivamente, le fasi del QBO svolgono un ruolo non trascurabile nel modulare le caratteristiche del vortice polare e, per estensione, influenzano i pattern climatici globali. Gli studi continui su questi collegamenti sono essenziali per affinare i modelli climatici e migliorare la nostra capacità di prevedere e mitigare gli impatti dei cambiamenti climatici e meteorologici estremi.

3.3.3. Modelli Tridimensionali nella Simulazione della Quasi-Biennial Oscillation (QBO)

Nel contesto della modellazione atmosferica, i modelli unidimensionali (1-D) e bidimensionali (2-D) hanno storicamente richiesto la parametrizzazione delle onde responsabili della dinamica della Quasi-Biennial Oscillation (QBO). Tuttavia, l’adozione di modelli tridimensionali (3-D) segna un’avanzamento significativo, offrendo la capacità di simulare esplicitamente tali onde, eludendo così la necessità di ricorrere a assunzioni semplificative inerenti alla parametrizzazione. In particolare, nei modelli definiti “meccanicistici”, le onde atmosferiche sono generate artificialmente, ad esempio attraverso l’imposizione di campi di riscaldamento o perturbazioni al limite inferiore del modello.

Un aspetto di rilievo emerso dall’uso di modelli meccanicistici riguarda l’indagine sull’effettiva capacità delle onde di Rossby-gravità di fornire la forza di momento angolare orientale necessaria per la manifestazione della QBO all’equatore. Una simulazione di rilievo condotta da Takahashi e Boville nel 1992 ha utilizzato un modello 3-D in cui sia le onde di Kelvin che quelle di Rossby-gravità erano forzate al confine inferiore, ottenendo una rappresentazione accurata della QBO nella stratosfera inferiore. Nonostante questo, le ampiezze simulate per l’onda di Kelvin e, in modo più marcato, per quella di Rossby-gravità, superavano notevolmente i valori osservati, sottolineando la necessità di considerare un ventaglio più ampio di componenti ondulatorie.

I modelli di circolazione generale (GCMs) rappresentano un’altra categoria di modelli tridimensionali, nei quali le onde si generano spontaneamente all’interno del sistema, sebbene i meccanismi di generazione non siano necessariamente realistici. Simulare realisticamente la QBO si rivela un criterio stringente per la validazione di un GCM, in virtù del suo considerevole impatto sulla variabilità interannuale dell’atmosfera media, non limitato alle sole latitudini equatoriali. Infatti, una rappresentazione accurata della QBO in un GCM che include l’atmosfera media è essenziale per la sua validazione come modello realistico. Inoltre, dal momento che la generazione della QBO è influenzata dalle onde eccitate dalla convezione cumuliforme su diverse scale, la capacità di un GCM di simulare o meno la QBO può avere implicazioni dirette anche sulla rappresentazione della circolazione troposferica tropicale simulata.

Fino a tempi recenti, la simulazione della QBO o di oscillazioni analoghe guidate dalle onde è stata un’ardua sfida per i GCM, nonostante l’inclusione di onde di Kelvin e Rossby-gravità di ampiezze realistiche in alcuni modelli noti come il Community Climate Model Version 2 (CCM2) e SKYHI. La prima simulazione realistica della QBO mediante un GCM è stata realizzata da Takahashi nel 1996, utilizzando il modello del Center for Climate System Research/National Institute of Environmental Studies (CCSR/NIES). Questo modello si distingueva per la sua risoluzione orizzontale di T21 e una risoluzione verticale di 500 metri nella stratosfera, permettendo così la propagazione verticale di onde con lunghezze d’onda verticali minori e la loro interazione con il flusso medio, superando le limitazioni imposte da precedenti GCM con maggiore spaziatura verticale.Nel contesto dello sviluppo dei modelli di circolazione generale (GCM), l’implementazione di meccanismi di diffusione orizzontale, o processi equivalenti, è una pratica comune, motivata da necessità di natura numerica. In particolare, per la modellazione della Quasi-Biennial Oscillation (QBO), è emerso come essenziale l’adattamento del coefficiente di diffusione orizzontale di quarto ordine, il quale è stato ridotto di un ordine di grandezza rispetto al valore standard. Questa modifica metodologica ha permesso la generazione di un’oscillazione con caratteristiche simili alla QBO, caratterizzata da un periodo di 1,5 anni. Ulteriori simulazioni hanno esplorato diverse configurazioni e parametri, come evidenziato dai lavori di Horinouchi e Yoden [1998] su un GCM aquaplanet con periodo di 1,1 anni; Hamilton et al. [1999] con il modello SKYHI che ha prodotto un periodo di un anno; e Untch [1998] per l’European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF), con un periodo considerato realistico.

Un esempio particolarmente significativo di simulazione avanzata è rappresentato dai risultati pubblicati da Takahashi nel 1999, che mostrano la simulazione più realistica fino a quel momento, con un periodo di 2,3 anni. Questa simulazione è stata realizzata impiegando una risoluzione orizzontale di T42 e riducendo il coefficiente di diffusione orizzontale di un fattore quattro rispetto al suo valore standard.

Nonostante il successo di varie simulazioni nel riprodurre fenomeni analoghi alla QBO, non esiste un set definito e semplice di criteri che possa garantire universalmente il successo di tali simulazioni. Le simulazioni realiste richiedono una combinazione ottimale di diversi fattori e sono intrinsecamente complesse e dispendiose in termini di tempo. In particolare, un GCM adeguato per la simulazione della QBO necessita di una risoluzione verticale fine nella stratosfera, un basso coefficiente di diffusione, una risoluzione orizzontale da moderata ad alta e uno schema di convezione efficace nel generare un’adeguata quantità di onde per sostenere la dinamica della QBO.

Un elemento cruciale nella modellazione della QBO è la capacità di risolvere adeguatamente le onde e le loro interazioni con il flusso medio atmosferico. Le configurazioni adottate nei GCM variano significativamente: per esempio, la risoluzione verticale impiegata da Takahashi [1996] era di 500 metri, mentre Untch [1998] utilizzava una griglia con uno spaziamento di 1500 metri. È interessante notare che una risoluzione orizzontale elevata non è sempre un requisito imprescindibile. Infatti, la simulazione di Takahashi con una risoluzione di T21 ha dimostrato che è possibile sviluppare una QBO, anche se in simulazioni successive con una risoluzione di T63 si è osservata la scomparsa della QBO a causa di una deriva zonale a lungo termine nella stratosfera superiore. Questo problema è stato risolto incrementando la risoluzione a T159, stabilizzando così la presenza della QBO nel modello. Hamilton et al. hanno rilevato la necessità di una risoluzione orizzontale specifica di 2,8 x 2,48 per i loro studi con il modello SKYHI.

La formazione di oscillazioni atmosferiche può essere inibita attraverso meccanismi di diffusione orizzontale che attenuano la struttura meridionale del flusso zonale. Un aspetto comune tra tutte le simulazioni riuscite della Quasi-Biennial Oscillation (QBO) è la presenza di scale temporali di diffusione superiori rispetto al periodo dell’oscillazione QBO-like simulata. Questo fenomeno è fondamentale in quanto le onde che ascendono verso la stratosfera subiscono un’amplificazione del loro smorzamento causato dalla diffusione. Un’osservazione cruciale fatta da Takahashi nel 1996 evidenzia che la riduzione del coefficiente di diffusione potenzia l’intensità delle onde nella stratosfera con un impatto marginale sulla troposfera, sottolineando la segregazione dinamica tra le due regioni atmosferiche.

All’interno dell’atmosfera terrestre, è evidente che un ampio spettro di onde contribuisca alla forza necessaria per la generazione della QBO nelle simulazioni. In questo contesto, Takahashi e colleghi nel 1997 hanno proposto che l’accelerazione verso est nel modello QBO fosse influenzata tanto dalle onde di gravità quanto dalle onde di Rossby durante l’inverno dell’emisfero nord e dalle onde Rossby-gravità, mentre l’accelerazione verso ovest era prevalentemente guidata dalle onde di Kelvin e di gravità. In contrasto, nel modello successivo di Takahashi del 1999, si osserva che le onde di gravità rappresentano la principale forza motrice della QBO. Analisi approfondite sulle onde, come quelle condotte da Horinouchi e Yoden nel 1998, hanno mostrato che la distribuzione della frequenza e la magnitudo del flusso di momento erano consistenti, seppur approssimative, con le stime osservative di Sato e Dunkerton del 1997 per Singapore, evidenziando un ruolo marginale per le onde di Kelvin e Rossby-gravità.

Un elemento fondamentale per la generazione di onde nella troposfera è il rilascio di calore latente dovuto alla convezione cumuliforme, caratteristica predominante in questi fenomeni. Sebbene i modelli di circolazione generale (GCM) tendano a riprodurre con una certa approssimazione la precipitazione media climatologica, e quindi i componenti a bassa frequenza del riscaldamento latente risultino simili, le caratteristiche transitorie della convezione cumuliforme, che giocano un ruolo cruciale nell’eccitazione delle onde, variano significativamente tra i vari modelli.

Le simulazioni riuscite della QBO hanno comunemente impiegato lo schema di aggiustamento convettivo umido, ad eccezione del modello di Untch del 1998, che ha utilizzato lo schema di Tiedtke del 1989. Questo schema di aggiustamento tende a indurre una convezione cumuliforme intermittente a scala di griglia. In particolare, il modello T21 di Takahashi del 1996 ha evidenziato la capacità di produrre un’oscillazione simile alla QBO anche quando lo schema veniva sostituito dallo schema prognostico di Arakawa-Schubert, proposto da Nagashima e colleghi nel 1998, che favorisce la generazione di intensi impulsi di riscaldamento transitori a scala di griglia. Tuttavia, si osserva che alcune parametrizzazioni dei cumuli producono una convezione cumuliforme transitoria limitata. Ad esempio, lo schema di convezione di Zhang e McFarlane del 1995, impiegato nel CCM3 del National Center for Atmospheric Research, che non ha simulato con successo la QBO, genera un flusso di momento verso la stratosfera considerevolmente debole, nonostante una precipitazione media nel tempo realisticamente simulata.

Un elemento significativo che potrebbe influenzare la capacità di un modello di circolazione generale (GCM) di simulare efficacemente la Quasi-Biennial Oscillation (QBO) è rappresentato dall’upwelling tropicale generato dalla circolazione di Brewer-Dobson. Come evidenziato nella sezione 3.3.1, un’intensa attività di upwelling tende a rallentare la discesa degli strati atmosferici influenzati dalla QBO. Nel modello di Takahashi del 1999, che presentava un periodo realisticamente simulato, l’upwelling risultava leggermente inferiore rispetto alle stime basate su osservazioni di Mote et al. del 1996. Al contrario, nei modelli di Takahashi del 1996 e di Horinouchi e Yoden del 1998, che erano caratterizzati da periodi più brevi, si osservava un upwelling notevolmente debole, non in linea con i dati reali.

Questa discrepanza suggerisce che un upwelling eccessivamente marcato potrebbe ostacolare la simulazione della QBO in alcuni modelli, mentre un upwelling insufficientemente robusto potrebbe condurre a una durata della QBO inferiore a quella osservata. L’ottimizzazione di questo parametro è quindi critica per la fedeltà della simulazione.

Il principale fattore che contribuisce alla riproduzione accurata della QBO nei modelli è probabilmente l’impiego di una risoluzione verticale elevata, essenziale per risolvere le onde di gravità equatoriali. La diffusione orizzontale dovrebbe essere mantenuta a un livello tale da non compromettere lo sviluppo dell’oscillazione del flusso medio e da non rappresentare il principale meccanismo di smorzamento delle onde. In questo contesto, anche le dinamiche transitorie della convezione cumuliforme tropicale rivestono un ruolo importante, poiché sono queste a determinare l’eccitazione delle onde necessarie per la formazione della QBO.

Nonostante i progressi recenti, è emerso che i modelli che hanno simulato con successo la QBO possono manifestare una convezione cumuliforme eccessivamente attiva, risultando così in un’amplificazione delle onde di gravità a scale risolte superiore a quella desiderata. Di conseguenza, potrebbe rendersi necessaria una parametrizzazione delle onde di gravità su scala sub-griglia, causate dalla convezione, per integrare la forza esercitata dalle onde risolte. Questo approccio è cruciale per generare una QBO che rifletta lo spettro di onde osservato nell’atmosfera reale, garantendo così una modellazione più accurata e rappresentativa dei processi atmosferici in gioco.

La figura presentata illustra una sezione tempo-altezza della velocità zonale media zonale al di sopra dell’equatore, come simulata da Takahashi nel 1999. Questo grafico è particolarmente significativo per la comprensione della dinamica atmosferica equatoriale e, in particolare, dell’oscillazione quasi-biennale (QBO). La coordinata temporale si estende dal giorno 0, corrispondente al 1 gennaio, fino al giorno 1830, rappresentando un periodo di circa cinque anni in un modello che assume un anno di 360 giorni. L’intervallo dei contorni è impostato a 6 m/s, evidenziando la variazione della velocità del vento.

Le zone colorate in rosso e blu indicano, rispettivamente, i venti di direzione occidentale (westerly) e orientale (easterly). Questa distinzione cromatica fornisce un’immediata visualizzazione delle variazioni direzionali dei venti equatoriali nel corso del tempo. La scala di pressione, espressa in hPa (ettapascal), è rappresentata su un asse logaritmico verticale che diminuisce con l’incremento dell’altitudine. Tale rappresentazione enfatizza la divisione tra la stratosfera inferiore e quella superiore, mostrando chiaramente come i venti interagiscano a diverse altitudini.

Il diagramma mostra in modo efficace il ciclo della QBO, che si manifesta con un’alternanza ritmica tra venti occidentali e orientali, riflettendo l’oscillazione periodica e quasi-biennale. Ogni ciclo della QBO, rappresentato dalle alternanze di colori dal rosso al blu, si estende verticalmente dall’alta alla bassa stratosfera e orizzontalmente su un arco temporale di circa due anni, seguendo un modello che è vitale per la comprensione delle interazioni atmosferiche globali. L’analisi dettagliata di tali dinamiche è cruciale per prevedere e modellare i cambiamenti climatici e meteorologici, sottolineando l’importanza di simili visualizzazioni grafiche nella climatologia moderna.

4. Effetti Dinamici nella Stratosfera Extratropicale

L’interazione tra la Quasi-Biennial Oscillation (QBO) equatoriale e l’atmosfera extratropicale è profondamente influenzata dal ciclo stagionale e dalla variabilità intrinseca della stratosfera extratropicale. Contrariamente alla troposfera, la circolazione zonale media nella stratosfera extratropicale è soggetta a un ciclo stagionale intensamente pronunciato che include una completa inversione dei venti tra l’inverno e l’estate. Durante il periodo invernale, si verifica un raffreddamento della stratosfera ad alte latitudini che porta alla formazione di un vortice occidentale profondo e vigoroso. Questo intenso regime di venti occidentali cede il posto a venti orientali durante la primavera e l’estate, concomitante all’incremento del riscaldamento solare.

Questo ciclo stagionale, già complesso di per sé, è ulteriormente complicato dall’azione delle onde planetarie di Rossby, che sono influenzate dai contrasti terra-mare e dalla topografia superficiale. Queste onde si propagano sia verticalmente che meridionalmente nella stratosfera invernale, diventando evanescenti nei venti medi orientali dell’emisfero estivo, come illustrato nei lavori pionieristici di Charney e Drazin (1961) e Andrews et al. (1987).

Nell’emisfero nord (NH), il marcato contrasto terra-mare e le estese catene montuose favoriscono la formazione di onde planetarie troposferiche di ampiezza maggiore rispetto all’emisfero sud (SH). Di conseguenza, la stratosfera invernale del nord è soggetta a maggiori perturbazioni dovute a queste onde planetarie rispetto a quella dell’emisfero sud. Queste onde di grande ampiezza possono perturbare drasticamente il vortice polare settentrionale, sostituendo i venti occidentali con venti orientali e causando un significativo riscaldamento della stratosfera polare, fenomeno noto come riscaldamento stratosferico maggiore.

La transizione dai venti occidentali agli orientali durante la primavera avviene spesso in concomitanza con eventi di onde planetarie e viene definita “riscaldamento finale”. Mentre nel NH il timing di questo riscaldamento finale è notevolmente variabile, generalmente si verifica tra marzo e aprile. Invece, nel SH, il riscaldamento finale avviene più regolarmente tra novembre e dicembre, presentando minor variabilità interannuale, come documentato da Waugh e Randel (1999).

Nel NH, le ampiezze delle onde planetarie sono sufficientemente elevate da permettere il verificarsi di riscaldamenti improvvisi a metà inverno in alcuni anni ma non in altri, riflettendo una sensibilità significativa agli effetti delle onde planetarie che si propagano verticalmente. Questa variabilità interannuale nell’intensità del vortice polare suggerisce che la stratosfera settentrionale è particolarmente recettiva alle modulazioni dell’attività ondulatoria o del flusso di Eliassen-Palm, una dinamica che potrebbe permettere alla QBO equatoriale di influenzare la stratosfera polare.

La sfida di identificare un segnale QBO extratropicale è stata complicata dalla brevità e dalla limitata estensione verticale dei dataset disponibili. Nel NH, i dati fino a 10 hPa sono considerati affidabili a partire dagli anni ’50. Al di sopra di questo livello e nella stratosfera inferiore del SH, la carenza di dati da radiosonde ha limitato la produzione di dati grigliati affidabili fino alla fine degli anni ’70, con l’avvento delle misurazioni satellitari delle temperature. La maggior parte degli studi sull’influenza extratropicale della QBO si è concentrata sul NH a causa della maggiore lunghezza e affidabilità del record di dati.

Holton e Tan (1980, 1982) hanno fornito prove convincenti che la QBO influisce sulla stratosfera settentrionale extratropicale utilizzando dati grigliati relativi a 16 inverni NH (1962-1977) per creare composizioni delle fasi orientali e occidentali a 50 hPa di geopotenziale. Hanno dimostrato che l’altezza geopotenziale alle alte latitudini è significativamente inferiore durante la fase occidentale della QBO. Hanno anche rilevato una modulazione statisticamente significativa del vento zonale primaverile nell’SH. Nel NH, Labitzke (1987) e Labitzke e van Loon (1988) hanno identificato una forte correlazione con il ciclo solare di 11 anni durante i mesi di gennaio e febbraio, suggerendo che l’influenza solare modifica il segnale durante l’inverno avanzato. Naito e Hirota (1997) hanno confermato questi risultati e hanno anche mostrato che un segnale QBO robusto è presente durante novembre e dicembre, rafforzando ulteriormente l’importanza della QBO come fattore dinamico nella stratosfera extratropicale.

4.1. Meccanismo per l’Influenza Extratropicale della QBO

Conforme alle discussioni presentate nella sezione 3.1, in un flusso puramente zonalmente simmetrico, emerge una risposta non locale a un’imposizione localizzata di momento. Un meccanismo plausibile attraverso il quale la Quasi-Biennial Oscillation (QBO) potrebbe esercitare un’influenza extratropicale si manifesta, quindi, tramite questa risposta. Tuttavia, le evidenze suggeriscono che la reazione a forzature vicino all’equatore è tipicamente limitata alle latitudini tropicali e subtropicali, come illustrato da Plumb nel 1982. Questo meccanismo, di per sé, non è adeguato a spiegare la modulazione osservata della QBO sul vortice polare nell’emisfero nord (NH).

Attualmente, il meccanismo considerato più plausibile implica l’intervento di onde planetarie zonalmente asimmetriche. In generale, la direzione predominante della propagazione dell’attività delle onde planetarie troposferiche è verso l’alto e verso l’equatore, e la propagazione verticale è confinata principalmente alle onde di scala spaziale maggiore, ovvero le onde 1 e 2, come descritto da Charney e Drazin nel 1961. Nella stratosfera delle alte latitudini, queste onde perturbano il vortice dalla sua simmetria zonale e, se le ampiezze sono sufficientemente elevate, il vortice può essere spostato dal polo o persino essere interrotto, sostituendo così i venti occidentali con quelli orientali vicino al polo. Questo processo è accompagnato dalla “rottura” delle onde planetarie, un fenomeno che porta all’erosione del vortice e all’indebolimento dei venti occidentali, come osservato da McIntyre e Palmer nel 1983 e nel 1984.

La propagazione verticale e meridionale di queste onde planetarie è influenzata dalla struttura in altezza e latitudine del vento medio zonale, che agisce rifrangendo le onde man mano che esse emergono dalla troposfera. Le onde quasi-stazionarie si trovano inibite nei venti orientali, e la fase della QBO nei tropici e nelle subtropicali modifica il percorso effettivo e la posizione del confine tra i venti zonali medi orientali e occidentali—definito come la linea critica per le onde con velocità di fase nulla. Se il flusso medio nella stratosfera tropicale è orientato verso occidente, le onde planetarie possono penetrare nei tropici e attraversare l’equatore senza incontrare alcuna linea critica. Al contrario, quando il flusso medio è orientale, le onde planetarie si scontrano con una linea critica sul lato invernale dell’equatore. Di conseguenza, con venti orientali nei tropici, il percorso guida per la propagazione delle onde planetarie si restringe, risultando in un’intensificazione dell’attività ondulatoria alle latitudini medie e alte dell’emisfero invernale. Un aumento dell’intensità delle onde planetarie ad alte latitudini conduce a un maggior trascinamento indotto dalle onde sul flusso medio, una riduzione dei venti occidentali e, quindi, un riscaldamento della stratosfera polare. Questo meccanismo fornisce una spiegazione comprensiva di come la QBO possa influenzare significativamente la dinamica stratosferica extratropicale.

4.2 Osservazioni dell’Influenza Extratropicale

La relazione tra la QBO (Oscillazione Quasi-Biennale) e la dinamica del vortice stratosferico durante l’inverno nell’emisfero nord può essere analizzata attraverso lo studio comparativo di compositi del vento zonale medio extratropicale durante le fasi orientali e occidentali della QBO. È fondamentale stabilire con precisione la fase della QBO; comunemente si utilizza come riferimento il vento zonale medio equatoriale a un livello altitudinale specifico. Originariamente, Holton e Tan nel 1980 identificarono la fase della QBO tramite i venti equatoriali a 50 hPa, ma ricerche successive hanno proposto l’uso di altri livelli quali 45, 40 e 30 hPa. La scelta di un livello altitudinale specifico per definire la fase della QBO si basa sull’intento di massimizzare il segnale extratropicale percepibile.

Nei grafici numerati da 14 a 16, la fase della QBO è stata definita impiegando le prime due funzioni ortogonali empiriche (EOF) che descrivono le variazioni verticali dei venti equatoriali, secondo quanto documentato da Wallace et al. nel 1993 e da Baldwin e Dunkerton nel 1998. Questa metodologia è stata ulteriormente affinata per ottimizzare il segnale extratropicale, sia nell’emisfero nord (NH) che in quello sud (SH), risultando in una definizione della fase della QBO molto simile al vento equatoriale a 40 hPa per i compositi del NH e a quello a 25 hPa per quelli del SH.

La Figura 14 esemplifica la discrepanza nei venti zonali medi tra i compositi delle fasi occidentali e orientali della QBO, utilizzando le analisi del National Centers for Environmental Prediction (NCEP) per il periodo che va dal 1978 al 1996. Questa differenza è stata calcolata attraverso la media dei dati relativi ai venti di gennaio per entrambe le fasi della QBO, seguita dalla sottrazione delle medie risultanti. I venti zonali sono stati dedotti dai campi geopotenziali attraverso il metodo di bilanciamento, come delineato da Robinson nel 1986 e da altri studi successivi. Sebbene questo metodo sia efficace nelle zone extratropicali, esso non risulta affidabile nei tropici, dove i venti sono stati interpolati tra 10°N e 10°S, risultando in una rappresentazione sottostimata della QBO.

Il segnale predominante nel nord è rappresentato dalla modulazione del vortice polare, che si estende dalla superficie fino al livello di 1 hPa. Le differenze registrate sono contrapposte a sud di circa 40°N e si amalgamano con il ramo superiore della QBO tropicale. Le caratteristiche osservate nella Figura 14 non si limitano ai livelli stratosferici medi, dove la QBO equatoriale è definita; infatti, si notano elementi salienti soprattutto al di sopra dei 10 hPa. Le analisi di correlazione del vento zonale medio nel piano latitudine-altezza, condotte da Baldwin e Dunkerton nel 1991, suggeriscono che gli elementi a livelli superiori, incluso quelli vicino a 30°S nell’SH, sono influenzati dalla modulazione della QBO sulla circolazione meridionale media (da estate a inverno). È plausibile ipotizzare che tale circolazione sia moderatamente influenzata dall’oscillazione di Holton-Tan. Ad esempio, durante la fase occidentale della QBO, si registrano temperature polari relativamente basse, che implicano un flusso trasversale equatoriale attenuato e un’anomalia occidentale debole vicino a 30°S, come illustrato nella Figura 14. Tale caratteristica può essere interpretata non solo come un effetto diretto della QBO, ma anche come un effetto remoto dell’azione ondulatoria di Holton-Tan, mediato dalla circolazione meridionale media, come descritto nell’equazione (6). Questo comportamento trova conferma anche nei modelli numerici, che verranno approfonditi nella sezione 4.3 e nella Figura 17.La rilevanza statistica dell’effetto della Oscillazione Quasi-Biennale (QBO) sui meccanismi atmosferici invernali dell’emisfero nord è stata esaminata approfonditamente da numerosi studiosi, con una trattazione dettagliata fornita da Baldwin e O’Sullivan nel 1995. Elementi cruciali come la definizione precisa della QBO, la selezione accurata dei mesi invernali per l’analisi e la scelta del livello altimetrico dei dati sono determinanti per l’affidabilità dei risultati ottenuti tramite test statistici. Per esempio, si è notato che l’influenza della QBO è particolarmente marcata nei mesi di dicembre e gennaio, mentre tende a diminuire in febbraio. Analizzando i dati del National Centers for Environmental Prediction (NCEP) raccolti tra il 1964 e il 1993 nei mesi di dicembre, gennaio e febbraio, e considerando livelli fino a 10 hPa, Baldwin e O’Sullivan hanno dimostrato che l’effetto della QBO, definito tramite il vento a 40 hPa di Singapore, presenta una significatività statistica al livello di 0.001. Questa significatività è stata determinata utilizzando il geopotenziale a 10 hPa secondo il test di significatività di campo proposto da Barnston e Livezey nel 1987.

Nelle analisi dei compositi del vento zonale medio, è emerso che la significatività statistica dell’effetto della QBO aumenta con l’aumento dell’altitudine, almeno fino a 10 hPa, registrando valori di significatività molto più elevati a 10 hPa rispetto a 30 hPa. Questo indica una variazione significativa dell’influenza della QBO con l’aumentare dell’altezza nella stratosfera.

Il pattern di dipolo osservato nell’emisfero nord e illustrato nella Figura 14 non è esclusivo dell’influenza della QBO; piuttosto, rappresenta il principale modo di variabilità della stratosfera invernale nordica, come evidenziato da studi precedenti [Nigam, 1990; Dunkerton e Baldwin, 1992]. Durante i mesi invernali, la QBO sembra stimolare la modalità annulare del nord (NAM), conosciuta anche come Oscillazione Artica, come documentato da Thompson e Wallace nei loro studi del 1998 e 2000. I compositi QBO dell’emisfero nord, che includono dati di geopotenziale, vento e temperatura, riflettono il grado in cui la QBO influisce sul NAM. Le diverse fasi del NAM si manifestano attraverso un vortice polare freddo e robusto in una fase, e un vortice più debole con temperature polari più elevate nell’altra fase.

La presenza del dipolo è molto più marcata nella stratosfera e meno evidente nella troposfera. Tale connessione è ristretta alla stagione invernale, ma il NAM troposferico si manifesta in tutte le stagioni. Gli aspetti troposferici del NAM e le configurazioni associate alla QBO verranno esplorate più approfonditamente nella sezione 6.2 del documento.

Infine, la Figura 15 illustra l’evoluzione stagionale a 5 hPa del differenziale composito del vento zonale dell’emisfero nord. Il segnale extratropicale si manifesta già in autunno alle medie latitudini e raggiunge il suo picco alle alte latitudini in gennaio. La differenza composita nei mesi di tarda stagione invernale (febbraio e marzo), caratterizzata da un segno opposto, risulta essere minore al nord del 40°. La rapida diminuzione del segnale suggerisce che la QBO modula l’intensità del vortice polare invernale dell’emisfero nord fino alla metà dell’inverno, ma influisce marginalmente sulla tempistica del riscaldamento finale, indicando un effetto stagionalmente limitato e altitudinalmente variabile della QBO sui pattern climatici invernali dell’emisfero nord.

I riscaldamenti stratosferici maggiori sono caratterizzati da una inversione dei venti zonali medi a 10 hPa e 60°N verso direzione est, accompagnata da una temperatura polare superiore alla media zonale alla stessa quota e latitudine. Secondo l’effetto Holton-Tan, è ipotizzabile che tali eventi di riscaldamento siano più frequenti durante le fasi orientali della QBO. Tuttavia, questa metrica semplicistica risulta essere non particolarmente robusta, in quanto le definizioni adottate per la fase della QBO (est/ovest) e per il riscaldamento (presenza/assenza) sono intrinsecamente arbitrarie.

Analizzando i dati ri-analizzati dal NCEP per il periodo 1958-1999, utilizzando una definizione della fase QBO a 40 hPa, si sono registrati sei eventi di riscaldamento associati a fasi occidentali e dieci a fasi orientali della QBO. Diversamente, impiegando i dati “Berlin”, analizzati manualmente con una definizione della QBO a 45 hPa e una definizione sinottica dei riscaldamenti maggiori, si sono osservati dieci riscaldamenti durante la fase occidentale e undici durante quella orientale della QBO, come comunicato da K. Labitzke nel 2000. Questa discrepanza nei risultati evidenzia l’eccessiva sensibilità del metodo alle definizioni utilizzate per la fase della QBO e per i riscaldamenti. Di conseguenza, i compositi grafici, simili a quelli presentati nelle Figure 14 e 15, emergono come strumenti più affidabili, applicabili ad entrambi gli emisferi, e capaci di fornire una valutazione quantitativa più precisa dell’effetto Holton-Tan.

Nell’emisfero sud (SH), il vortice polare si manifesta con caratteristiche di maggiore intensità, longevità e stabilità rispetto al corrispettivo dell’emisfero nord (NH). Durante i mesi invernali, le onde planetarie tendono a non interferire significativamente con il vortice del polo sud nella stratosfera inferiore e media. È pertanto prevedibile che le osservazioni non mostrino una modulazione significativa della forza del vortice antartico invernale attribuibile alla QBO. Come illustrato nella Figura 16, a 5 hPa, la QBO influisce sulla forza dei venti alle medie latitudini durante la tarda autunno, similmente a quanto osservato nel NH. Tuttavia, a differenza del NH, la modulazione è percepibile solo alle medie latitudini durante tutto l’inverno e l’inizio della primavera.

La stagionalità rilevata nella modulazione della QBO sulla circolazione extratropicale in entrambi gli emisferi corrobora l’ipotesi che le onde planetarie svolgano un ruolo essenziale in questo meccanismo di modulazione. Un aspetto distintivo, come dimostrato dalle Figure 15 e 16, è che nell’SH l’influenza maggiore della QBO si verifica durante la tarda primavera, in particolare a novembre, coincidendo con il riscaldamento finale. In ottobre, il vortice SH raggiunge dimensioni comparabili a quelle del vortice NH a gennaio. Dato che le ampiezze delle onde planetarie sono notevolmente ridotte nell’SH, l’effetto della QBO si manifesta principalmente alla periferia del vortice fino a che questo non si riduce significativamente in dimensioni.

La Figura 14 illustra una rappresentazione grafica della differenza media del vento zonale in funzione della latitudine e dell’altitudine per il mese di gennaio, basata sul confronto tra gli anni in cui la Oscillazione Quasi-Biennale (QBO) presentava una fase occidentale rispetto a quelli in cui si manifestava in fase orientale, nel periodo compreso tra il 1964 e il 1996. Questa analisi è stata ottimizzata per l’emisfero nord (NH) ed è stata effettuata mediante l’adozione delle funzioni ortogonali empiriche, secondo la metodologia sviluppata da Baldwin e Dunkerton [1998b], risultando quasi equivalente all’utilizzo dei dati dei venti equatoriali a 40 hPa.

Nel diagramma, l’asse verticale mostra i valori di pressione atmosferica misurati in ettopascal (hPa), che si estendono dal livello del suolo (1000 hPa) fino alla sommità dell’atmosfera (1 hPa), attraversando così diverse fasce della stratosfera e raggiungendo le parti più basse della troposfera. Questa dimensione verticale è cruciale per osservare le variazioni altimetriche del vento zonale in risposta alle fasi della QBO. L’asse orizzontale, invece, rappresenta la latitudine, estendendosi dai 60 gradi sud ai 60 gradi nord, passando per l’equatore (EQ), permettendo di esaminare l’effetto della QBO lungo un ampio gradiente latitudinale.

Le curve continue nel grafico delineano i contorni di velocità del vento zonale, con intervalli di contorno di 2 m/s. Le regioni ombreggiate segnalano i valori negativi, ovvero quelle aree dove la velocità del vento zonale medio durante gli anni con QBO in fase occidentale è inferiore rispetto agli anni con QBO in fase orientale. Queste zone ombreggiate sono di particolare interesse perché indicano una potenziale inversione o una significativa diminuzione della velocità dei venti, fenomeni che possono essere associati a dinamiche atmosferiche complesse come i riscaldamenti stratosferici maggiori.

In sintesi, la Figura 14 fornisce un’analisi dettagliata e quantitativa di come la QBO influenzi la distribuzione e l’intensità dei venti zonali nella stratosfera durante il mese di gennaio, mostrando variazioni significative sia in termini di altezza che di latitudine tra le diverse fasi della QBO. Questo tipo di analisi è fondamentale per comprendere meglio i meccanismi di interazione tra la QBO e la dinamica atmosferica globale, offrendo spunti cruciali per la previsione dei pattern meteorologici influenzati da questi grandi scale atmospheric phenomena.

La Figura 15 fornisce una rappresentazione dettagliata della differenza media mensile dei venti zonali a 5 hPa nell’emisfero nord (NH), confrontando gli anni caratterizzati dalla fase occidentale della Oscillazione Quasi-Biennale (QBO) con quelli della fase orientale, nel periodo esteso dal 1964 al 1996. La metodologia di definizione della fase della QBO rimane coerente con quella descritta per la Figura 14, impiegando tecniche basate su funzioni ortogonali empiriche.

Sul grafico:

• L’asse verticale è dedicato alle latitudini, estendendosi dall’equatore (EQ) fino a 80°N, offrendo una panoramica che copre quasi l’intera estensione dell’emisfero nord.
• L’asse orizzontale visualizza i mesi dell’anno, da gennaio (J) a dicembre (D), e di nuovo a gennaio, coprendo un ciclo annuale completo e permettendo di osservare le variazioni stagionali dei venti.
• Le linee continue nel diagramma rappresentano i contorni di velocità del vento zonale, impostati su intervalli di 2 m/s.
• Le aree ombreggiate, che indicano valori negativi, segnalano le zone dove la velocità del vento zonale medio durante gli anni di QBO occidentale è stata inferiore rispetto a quella registrata negli anni di QBO orientale.

Analisi approfondita del grafico:

• Una forte concentrazione di linee di contorno è visibile attorno ai 60°N durante i mesi invernali (dicembre, gennaio, febbraio), suggerendo una significativa influenza della QBO sulla velocità dei venti zonali in questo periodo. Questa osservazione sottolinea l’intensità dell’interazione tra la QBO e i meccanismi atmosferici predominanti nell’emisfero nord durante l’inverno.
• Le regioni ombreggiate situato al di sopra dei 60°N nei mesi invernali riflettono una diminuzione della velocità del vento zonale al di sotto della media degli anni con QBO orientale, il che potrebbe essere correlato a fenomeni di riscaldamento stratosferico maggiore, caratterizzati da inversioni di vento e aumenti anomali delle temperature stratosferiche.

Rilevanza del grafico:

• Questa visualizzazione grafica è essenziale per comprendere come la QBO possa modulare i venti zonali a latitudini elevate, specialmente durante i mesi invernali. L’analisi di tali dati è fondamentale per approfondire la comprensione dei meccanismi di riscaldamento stratosferico e della loro variabilità annuale, offrendo indicazioni preziose per ulteriori ricerche sulle dinamiche di interazione tra la QBO e il sistema climatico dell’emisfero nord.

4.3 Simulazioni di Modelli dell’Influenza Extratropicale

La modellazione quantitativa dell’influenza dell’QBO (Oscillazione Quasi-Biennale) sulle regioni extratropicali presenta notevoli sfide, analoghe a quelle affrontate nel modello di Holton-Lindzen [Holton e Lindzen, 1972], che descrive l’interazione tra il flusso medio equatoriale e le onde che si propagano verticalmente. Le difficoltà principali in questo ambito derivano dalla doppia modalità di propagazione delle onde planetarie, sia verticalmente che meridionalmente, e dalla complessità nel prevedere teoricamente gli effetti delle linee critiche sulla propagazione di tali onde. In assenza di una teoria semplice e consolidata, l’impatto della QBO sulle onde extratropicali e sulla circolazione atmosferica media è stato ampiamente indagato attraverso esperimenti di simulazione numerica, impiegando modelli di diversa complessità.

Gli studi condotti da Dameris e Ebel [1990] e Holton e Austin [1991] hanno esplorato l’effetto della QBO sui fenomeni di riscaldamento stratosferico improvviso. Entrambi i lavori hanno utilizzato brevi integrazioni di modelli meccanicistici tridimensionali, sottoposti a forzanti ideali di rapida crescita a medie latitudini, applicate al limite inferiore della tropopausa. Questi studi hanno rivelato che il comportamento del flusso stratosferico ad alta latitudine può essere significativamente influenzato dai venti tropicali nella parte inferiore della stratosfera, sebbene la misura di tale influenza dipenda strettamente dall’intensità del forcing ondoso applicato. Holton e Austin hanno osservato che in condizioni di forcing ondoso debole, il flusso ad alta latitudine rimaneva sostanzialmente inalterato dalla dinamica dei venti tropicali. Tuttavia, la sensibilità a tali venti aumentava con l’intensificarsi del forcing ondoso. In particolari intervalli di ampiezza del forcing, i modelli mostravano lo sviluppo di riscaldamenti stratosferici improvvisi in presenza di condizioni iniziali di venti orientali nella stratosfera tropicale, mentre non si verificavano in presenza di venti occidentali. Incrementando ulteriormente il forcing ondoso, i riscaldamenti improvvisi si manifestavano indipendentemente dalle condizioni dei venti tropicali, riducendo la dipendenza del flusso extratropicale dai venti tropicali.

L’utilizzo di modelli semplificati offre il vantaggio di permettere una manipolazione controllata dei parametri critici, in particolare la forza del forcing ondoso proveniente dalla troposfera. O’Sullivan e Salby [1990] e Chen [1996] hanno impiegato modelli con una risoluzione orizzontale elevata, ma confinati a un unico strato verticale. I loro esperimenti si sono avvalsi di un meccanismo di rilassamento lineare dello stato medio zonale, volto a simulare gli effetti del trasferimento radiativo nel limitare il flusso medio, e hanno incorporato un forcing ondoso di tipo 1 imposto al limite inferiore delle extratropici durante il periodo invernale. Questi studi hanno facilitato una comprensione più approfondita dell’interazione tra forzanti dinamiche e radiative e la risposta del sistema climatico a tali perturbazioni.

I risultati delle simulazioni hanno confermato che i modelli sono in grado di replicare gli effetti osservati del QBO tropicale sulle alte latitudini. In particolare, O’Sullivan e Young nel 1992 e O’Sullivan e Dunkerton nel 1994 hanno impiegato un modello meccanicistico globale tridimensionale, stimolato mediante una perturbazione specifica di tipo onda-1 posizionata al confine inferiore a 10 km. Questi modelli hanno incorporato gli effetti radiativi attraverso una parametrizzazione che prevedeva un rilassamento lineare della temperatura verso uno stato radiativo impostato. Importante sottolineare, le simulazioni hanno integrato anche un ciclo stagionale, e gli esperimenti sono stati condotti variando l’ampiezza del forcing ondoso extratropicale, con condizioni iniziali nei tropici che rappresentavano le fasi orientali e occidentali del QBO.

Nelle simulazioni, si è osservato che il flusso nella regione polare dell’emisfero nord rimaneva prevalentemente invariato rispetto all’influenza dei venti tropicali fino a novembre. Tuttavia, nei mesi di dicembre, gennaio e febbraio, emergeva un impatto significativo: il vortice polare stratosferico medio risultava rinforzato quando i venti tropicali erano di fase occidentale. Il grado di contrasto nella forza del vortice polare stratosferico invernale tra le fasi orientali e occidentali del QBO era marcatamente dipendente dall’ampiezza del forcing ondoso utilizzato. I risultati della modellazione proposti da O’Sullivan e Dunkerton nel 1994 si allineavano strettamente con le osservazioni delineate nelle Figure 15 e 16.

All’interno di un Modello di Circolazione Generale (GCM), il forcing troposferico sulla stratosfera, insieme alle sue variazioni interannuali, viene generato in modo autoconsistente all’interno del modello stesso. Hamilton, nel 1998b, ha operato un GCM per un periodo continuativo di 48 anni, implementando un forcing del momento angolare tropicale che variava nel tempo, il quale generava un QBO di 27 mesi nel vento zonale equatoriale, con zone di taglio di ampiezza realistica e che procedevano a una velocità realistica. La Figura 17 illustra il composito del vento zonale medio di gennaio per venti anni con venti equatoriali occidentali a 40 hPa meno quello per venti anni con venti orientali a 40 hPa. I risultati indicano una tendenza verso un vortice polare più debole nella fase orientale del QBO. Fuori dai tropici, le caratteristiche generali della differenza composita nella Figura 17 corrispondono bene con il composito di gennaio osservato, mostrato nella Figura 14. La Figura 18 rappresenta la temperatura composita del Polo Nord a 28 hPa per ogni mese, da ottobre ad aprile, nell’ambito dell’integrazione del modello. Gli effetti sistematici del QBO tropicale sulla temperatura stratosferica polare dell’emisfero nord nel modello sembrano essere principalmente limitati al periodo da dicembre a marzo.Le differenze osservate a metà inverno, come riportate nella Figura 18, mostrano variazioni termiche dell’ordine di 4-5°C, risultati che si allineano strettamente con quelli documentati nel composito delle fasi orientali meno quelle occidentali di Dunkerton e Baldwin [1991]. Questi dati corroborano ulteriormente l’analisi di Niwano e Takahashi [1998], che hanno investigato le dinamiche di variabilità stratosferica extratropicale utilizzando una versione del modello sviluppato dal Japanese Center for Climate System Research. Tale modello ha il particolare di generare spontaneamente un’oscillazione simile alla QBO nei tropici con un ciclo di circa 1,4 anni.

L’integrazione di 14 anni effettuata da Niwano e Takahashi ha permesso l’elaborazione di compositi da gennaio a marzo basati sulle cinque fasi più orientali e sulle cinque fasi più occidentali della QBO. Queste fasi sono state determinate attraverso la media del vento zonale equatoriale tra i 7 e i 50 hPa. I risultati di tale studio hanno evidenziato che, mediamente, il vortice polare nell’emisfero nord si presentava significativamente più debole durante la fase orientale della QBO, con una riduzione della velocità del vento di circa 15 m/s vicino ai 70°N a 1 hPa.

Questo corpus di ricerche dimostra che diversi modelli sono stati impiegati per esplorare l’impatto della QBO sulla stratosfera extratropicale, concentrandosi prevalentemente sull’emisfero nord durante il periodo che va da tarda autunno a primavera inoltrata. Questo intervallo temporale è stato scelto in quanto le osservazioni indicano che è il momento di massima evidenza dell’influenza della QBO. Gli studi modellistici pubblicati concordano nel mostrare una tendenza, seppur variabile, per cui la forza del vortice polare stratosferico tende a correlarsi positivamente con il vento zonale equatoriale intorno ai 40 hPa, supportando così la validità dell’effetto Holton-Tan.

Sebbene tutti gli studi sui modelli presentino un certo grado di idealizzazione, lo studio di Hamilton del 1998b emerge come il più compiuto, meritevole quindi di un confronto dettagliato con le osservazioni dirette. I risultati ottenuti da Hamilton mostrano un accordo generalmente buono con le osservazioni disponibili, suggerendo che anche i modelli di circolazione generale (GCM) che impiegano una QBO imposta artificialmente, anche se non simulata esplicitamente, sono capaci di rappresentare realisticamente le interazioni modulate dalle onde tra le zone stratosferiche a basse e alte latitudini. Questi risultati enfatizzano l’importanza di integrare simulazioni dettagliate e osservazioni empiriche per comprendere a fondo i meccanismi atmosferici complessi.

La Figura 16 illustra la differenza media mensile del vento zonale a 5 hPa nell’emisfero sud (SH), basata sulla comparazione degli anni caratterizzati dalla fase occidentale della QBO con quelli in fase orientale. Questo approccio metodologico segue lo schema della Figura 15, con l’adattamento specifico per l’emisfero sud, quasi equivalente all’utilizzo di dati dei venti equatoriali a 25 hPa come parametro di riferimento.

Dettagli della Figura 16:

• Asse verticale (Latitudine): Si estende dall’equatore (EQ) fino a 80°S, coprendo una vasta porzione dell’emisfero sud.
• Asse orizzontale (Mesi): Si estende da gennaio (J) a dicembre (D), coprendo un intero ciclo annuale per permettere l’osservazione delle variazioni stagionali nei venti.
• Linee di contorno: Sono rappresentate con intervalli di 2 m/s, mostrando la velocità del vento zonale.
• Regioni ombreggiate: Indicano valori negativi, ovvero aree dove la velocità media del vento zonale durante gli anni di QBO occidentale è inferiore rispetto agli anni di QBO orientale.

Analisi del grafico:

• Variazioni stagionali e latitudinali: Il grafico evidenzia come cambia la differenza nei venti zonali tra le fasi della QBO lungo l’arco dell’anno e in diverse latitudini. Una notevole concentrazione di linee di contorno si osserva nelle latitudini medie e alte durante i mesi invernali e primaverili dell’emisfero sud, suggerendo un’interazione significativa tra la QBO e i pattern dei venti in queste stagioni.
• Implicazioni dei risultati: Le aree ombreggiate nelle latitudini più elevate durante i mesi invernali e primaverili suggeriscono una diminuzione della velocità del vento zonale al di sotto della media degli anni con QBO orientale, un fenomeno che può essere correlato a un’influenza significativa della QBO sulla dinamica atmosferica nell’emisfero sud.

Importanza del grafico: Questa rappresentazione grafica è essenziale per capire in che modo la dinamica della QBO influenzi i venti zonali a diverse latitudini nell’emisfero sud, fornendo dati cruciali per gli studi climatologici e meteorologici relativi alle interazioni tra la QBO e la circolazione atmosferica globale.

La Figura 17 rappresenta la differenza composita tra le fasi occidentali e orientali del vento zonale medio zonale di gennaio, ottenuta dall’analisi di un modello di circolazione generale (GCM) su un periodo di 48 anni, come documentato da Hamilton nel 1998b. Il composito è stato formulato basandosi sui 20 gennaio caratterizzati dai venti equatoriali a 40 hPa più occidentali e sui 20 gennaio con i venti equatoriali a 40 hPa più orientali. Sebbene i risultati siano presentati fino a 1 hPa, è importante notare che il dominio del modello si estende in realtà fino a 0.01 hPa.

Dettagli della Figura 17:

• Asse Verticale (Pressione in hPa): Mostra un range di pressione che varia da 1000 hPa, a livello del suolo, fino a 1 hPa, vicino alla cima dell’atmosfera, coprendo diversi livelli della stratosfera e parte della troposfera.
• Asse Orizzontale (Latitudine): Si estende da 60°S a 60°N, passando per l’equatore (EQ), il che permette di osservare l’effetto della QBO attraverso una vasta gamma di latitudini.
• Linee di Contorno: Indicano i valori della differenza del vento zonale medio, con un intervallo di contorno di 2 m/s.
• Aree Ombreggiate: Rappresentano valori negativi, cioè le regioni dove il vento zonale medio durante le fasi occidentali è inferiore rispetto a quelle orientali.

Analisi del Grafico:

• Il grafico mette in evidenza una netta distinzione nella velocità del vento zonale medio tra le fasi occidentali e orientali della QBO nella stratosfera. Una marcata variazione è visibile nella regione equatoriale e nelle latitudini medie, con un pronunciato centro di differenza positiva vicino all’equatore che indica una maggiore velocità del vento zonale durante le fasi occidentali rispetto alle orientali a queste altitudini.
• La densità delle linee di contorno e le aree ombreggiate, in particolare attorno all’equatore e alle medie latitudini, suggeriscono che le differenze di velocità del vento possono essere estremamente significative, con profonde implicazioni per la circolazione atmosferica complessiva, specialmente durante il mese di gennaio.

Significato del Grafico: Questa rappresentazione fornisce un’illustrazione chiara di come le variazioni nella fase della QBO influenzino in modo significativo la circolazione atmosferica stratosferica, focalizzandosi in particolare su come i venti equatoriali a 40 hPa modulino i venti zonali a diverse altitudini durante il mese di gennaio. Queste osservazioni sono fondamentali per una migliore comprensione dei meccanismi attraverso cui la QBO impatta la dinamica atmosferica globale e possono contribuire a prevedere e interpretare le variazioni meteorologiche e climatiche correlate.

La Figura 18 illustra le temperature medie al Polo Nord a 28 hPa per ogni mese, da ottobre ad aprile, utilizzando i dati raccolti da un esperimento di modello di circolazione generale (GCM) della durata di 48 anni, come descritto da Hamilton nel 1998b. Le temperature sono state composte in base alla fase della Oscillazione Quasi-Biennale (QBO), distinguendo i risultati mediati sui 20 anni con i venti equatoriali a 40 hPa più orientali (rappresentati dalla curva tratteggiata) durante il periodo da dicembre a febbraio, rispetto ai 20 anni con i venti equatoriali a 40 hPa più occidentali (rappresentati dalla curva continua).

Dettagli della Figura 18:

• Asse Verticale (Temperatura in Kelvin, K): Mostra una scala che varia da 190 K a 220 K, permettendo di valutare le variazioni di temperatura stratosferica al Polo Nord.
• Asse Orizzontale (Mesi): Elencati da ottobre (O) ad aprile (A), questo asse facilita l’osservazione delle fluttuazioni stagionali della temperatura stratosferica.
• Rappresentazione delle Curve:
  • Curva Tratteggiata: Indica le temperature medie durante gli anni caratterizzati dalla fase orientale della QBO.
  • Curva Continua: Mostra le temperature medie durante gli anni con la fase occidentale della QBO.

Analisi del Grafico:

• Entrambe le curve evidenziano un marcato minimo di temperatura nel mese di gennaio, suggerendo che questo periodo è tipicamente il più freddo al Polo Nord a 28 hPa, indipendentemente dalla fase della QBO.
• La curva tratteggiata, associata alla fase orientale della QBO, registra temperature generalmente inferiori rispetto alla curva continua, che rappresenta la fase occidentale, specialmente nei mesi di dicembre, gennaio e febbraio. Questo fenomeno indica che la fase orientale della QBO tende a correlarsi con condizioni più fredde al Polo Nord durante il cuore dell’inverno.
• Un incremento delle temperature è osservabile in entrambe le curve da febbraio ad aprile, riflettendo il riscaldamento stagionale che accompagna la transizione verso i mesi primaverili.

Significato dei Risultati: Questo grafico fornisce un’evidenza visiva dell’impatto che la QBO può avere sulle temperature stratosferiche al Polo Nord, evidenziando come le fasi orientali portino a temperature più basse durante i mesi invernali centrali. Questi risultati sono cruciali per approfondire la comprensione delle interazioni tra la QBO e le variazioni climatiche nelle regioni polari, offrendo preziose informazioni per i futuri studi sulla meteorologia polare e le proiezioni climatiche.

4.4 Interazione della QBO con Altri Segnali a Bassa Frequenza

La ricerca ha dimostrato che il segnale della Oscillazione Quasi-Biennale (QBO) extratropicale può essere identificato all’interno di una vasta serie storica di dati meteorologici, ma costituisce solo una componente dell’ampia variabilità interannuale riscontrata nella stratosfera invernale dell’emisfero nord. Oltre alla QBO, esistono numerosi altri segnali che contribuiscono alla variabilità generale o che interagiscono con la QBO stessa, generando differenti frequenze di variabilità nei dati osservati.

Baldwin e Tung nel 1994 hanno evidenziato come la QBO influenzi il ciclo annuale extratropicale, alterando la firma della QBO stessa nel momento angolare. Di conseguenza, lo spettro della QBO non si manifesta con un unico picco di frequenza a circa 28 mesi, ma include ulteriori picchi a frequenze che corrispondono a intervalli annuali incrementati o diminuiti dalla frequenza della QBO. Tali risultati sostengono la teoria dello spettro QBO a “tre picchi”, proposta da Tung e Yang nel 1994, che prevede l’effetto modulatore dell’effetto Holton-Tan sul ciclo annuale.

Queste interazioni fra la QBO e il ciclo annuale risultano in una complessa modulazione delle varie metriche atmosferiche, tra cui l’ozono e il momento angolare, come evidenziato in studi successivi. Anche la vorticità potenziale isentropica risente di queste modulazioni, con periodicità che vanno dai 20 ai 30 mesi, evidenziando l’importanza della dinamica QBO nella struttura atmosferica globale.

Studi recenti hanno esplorato la variabilità a bassa frequenza delle temperature nella stratosfera media e superiore, identificando un modo biennale con un periodo di esattamente 24 mesi. Questo segnale biennale, inaspettatamente puro e non attribuibile a forzature quasi-biennali, ha sollevato interrogativi sulla sua origine e sulla sua persistenza nel tempo. Analisi speculative suggeriscono che tale modalità biennale potrebbe essere trasmessa alla stratosfera dall’alta troposfera, benché rimanga incerto il motivo per cui questo segnale, originario della troposfera, dovrebbe intensificarsi nella stratosfera polare. La ricerca non ha ancora fornito una spiegazione convincente per questa modalità, e la sua presenza nei record di dati è considerata potenzialmente un artefatto dovuto alla limitata estensione temporale dei dati disponibili.

Inoltre, è stato esaminato il possibile impatto di fenomeni globali come l’El Niño-Southern Oscillation (ENSO) sulla stratosfera extratropicale. L’interazione tra ENSO e la QBO presenta complessità tali che in alcuni casi è difficile distinguere gli effetti individuali di questi due fenomeni sui dati climatici. Studi precedenti non sono riusciti a separare completamente gli effetti di ENSO da quelli della QBO, ma analisi più mirate hanno permesso di isolare gli anni con anomalie ENSO deboli, rivelando pattern simili a quelli osservati negli studi di Holton e Tan. La ricerca ha concluso che l’ENSO modifica principalmente le ampiezze delle onde stazionarie su larga scala nella stratosfera inferiore, evidenziando la sua influenza predominante nella troposfera piuttosto che nelle altezze stratosferiche.

Questo complesso intreccio di segnali climatici evidenzia la necessità di ulteriori ricerche per comprendere meglio le dinamiche atmosferiche globali e il loro impatto sul clima terrestre. La comprensione di questi fenomeni è fondamentale per migliorare le previsioni meteorologiche a lungo termine e per sviluppare strategie più efficaci di risposta ai cambiamenti climatici.La variabilità decennale, che potrebbe essere correlata al ciclo solare di 11 anni, è evidente nei record di dati che risalgono agli anni ’50. Questa variabilità è stata oggetto di analisi dettagliate in diversi studi, tra cui quelli condotti da Labitzke [1987] e Labitzke e van Loon [1988], i quali hanno esaminato le dinamiche della circolazione atmosferica dell’emisfero nord durante il tardo inverno. Essi hanno classificato i dati basandosi sia sul livello di attività solare che sulla fase della Oscillazione Quasi-Biennale (QBO), scoprendo una significativa correlazione con il ciclo solare durante questa stagione.

Un ulteriore approfondimento di questa correlazione è stato fornito da Naito e Hirota [1997], i quali hanno confermato la presenza di un legame tra l’attività solare e la circolazione atmosferica, osservando che il segnale dominante della QBO si manifesta prevalentemente all’inizio dell’inverno. In particolare, la Figura 19 illustra i risultati di questa correlazione attraverso grafici di dispersione che confrontano le altezze geopotenziali medie a 30-hPa sopra il Polo Nord durante i mesi di gennaio e febbraio con il flusso radio solare a 10,7 cm, utilizzato come indicatore dell’attività solare undecennale.

Questi dati sono stati suddivisi in quattro categorie, basate sulla fase della QBO e sul livello di attività solare. Si è osservato che nei periodi di bassa attività solare il vortice polare invernale tende a essere meno stabile e più debole quando la QBO è in fase est, mentre risulta più marcato e stabile quando la QBO è in fase ovest. Al contrario, durante periodi di intensa attività solare, le fasi ovest della QBO si associano a condizioni meteorologiche invernali più turbolente, mentre le fasi est sono correlate a vortici polari più definiti e tranquilli. Questo comportamento invertito della QBO durante anni di alta attività solare rispetto a quelli di bassa attività solare solleva questioni interessanti sulla dinamica atmosferica influenzata da fattori solari, contrariamente a quanto predetto da Holton e Tan [1980]. I dati relativi agli anni 1989 e 1997 non si conformano a questo schema, suggerendo la presenza di ulteriori variabili influenti o di anomalie nei dati.

La discussione sull’influenza del ciclo solare di 11 anni sulla variabilità decennale è ancora molto attiva nel campo scientifico, con studi di modellazione che forniscono crescenti evidenze di un impatto significativo del ciclo solare sui venti e sulle temperature nella parte superiore della stratosfera. Nonostante la cosiddetta “costante” solare, che rappresenta l’energia radiativa complessiva ricevuta dall’atmosfera terrestre, vari di meno dello 0,1% nel corso dell’undecennio [Willson et al., 1986], le fluttuazioni nel range dell’ultravioletto, responsabili del riscaldamento dell’ozono, sono meno dell’1% [Rottman, 1999]. Tuttavia, questa variabilità aumenta fino all’8% per lunghezze d’onda inferiori a 200 nm, le quali possono indirettamente influenzare la chimica dell’ozono, incrementando la produzione di ossigeno atipico e, di conseguenza, modificando i tassi di riscaldamento atmosferico e la dinamica dell’atmosfera media.

I progressi nella modellazione del ciclo solare, come dimostrato dagli studi di Haigh negli anni 1994, 1996 e 1999, e dall’integrazione dei modelli ciclo solare–QBO da parte di Rind e Balachandran nel 1995, hanno gettato le basi per indagini più dettagliate sul ruolo delle variazioni solari nel clima terrestre. Shindell et al., nel 1999, hanno sfruttato un modello GCM che copre la troposfera, la stratosfera e la mesosfera, arricchito da una componente di ozono interattiva e valori realistici di forzamento UV, per esaminare come le modifiche nella concentrazione di ozono possano amplificare gli effetti dei cambiamenti nell’irraggiamento solare sul clima. Il modello ha rivelato che le modifiche indotte nella circolazione stratosferica non solo persistono ma si estendono verso il basso, influenzando anche la troposfera. Durante i massimi solari, è stata osservata una intensificazione della circolazione di Hadley, suggerendo un impatto diretto della variabilità solare sulle variazioni osservate nelle altezze geopotenziali nell’emisfero nord.

Un aspetto rilevante di questo studio è stato il modo in cui la modulazione della QBO influisce sui venti zonali nella media stratosfera dell’emisfero nord, mostrato nella Figura 15. Questa modulazione si conclude sostanzialmente entro febbraio, e le osservazioni indicano una variabilità decennale che coincide con il ciclo solare nei mesi di gennaio e febbraio. Ciò suggerisce che mentre la QBO potrebbe predominare all’inizio dell’inverno, l’influenza solare o l’interazione tra la QBO e il ciclo solare diventa più evidente verso la fine dell’inverno. La forte assorbimento di UV da parte dell’ozono nella stratosfera superiore e nella mesosfera fornisce un meccanismo plausibile per l’influenza solare sulla struttura termica di queste regioni, che a sua volta potrebbe influenzare la forza del “pompa extratropicale” guidata dalle onde planetarie.

Ulteriori indagini di Salby e Callaghan nel 2000 hanno evidenziato come i venti occidentali e orientali della QBO sotto e sopra i 30 hPa, rispettivamente, mostrino variazioni legate al ciclo solare. Questi cambiamenti nella durata dei venti hanno portato a una deriva sistematica nella fase della QBO durante l’inverno boreale. Questa osservazione sottolinea l’interconnessione complessa tra la QBO, il ciclo solare e le dinamiche climatiche più ampie.

Nonostante queste evidenze, esistono diverse ipotesi che cercano di spiegare la variabilità decennale stratosferica osservata senza riferimento diretto al ciclo solare. Studi come quelli di Teitelbaum e Bauer nel 1990 e di Salby e Shea nel 1991 suggeriscono che la variabilità di 11 anni durante l’inverno potrebbe essere un sottoprodotto delle procedure di analisi che stratificano i dati annuali in base alla fase della QBO. Gray e Dunkerton nel 1990 hanno proposto che un ciclo di 11 anni potrebbe emergere dall’interazione tra la QBO e il ciclo annuale. Allo stesso modo, Salby et al. nel 1997 e Baldwin e Dunkerton nel 1998 hanno postulato che una modulazione della QBO tropicale da un segnale biennale extratropicale potrebbe risultare in un periodo di 11 anni, offrendo una spiegazione alternativa alla variabilità di 11 anni che prescinde dal ciclo solare, anche se la relazione osservata con il ciclo solare rimane inspiegata.

L’indagine sulla variabilità biennale e decennale e l’incertezza sulla sua origine non minimizzano l’influenza diretta della QBO sulla stratosfera extratropicale. Il dibattito scientifico continua a concentrarsi sui segnali solari e biennali e sulla possibilità che la variabilità decennale osservata possa manifestarsi indipendentemente dall’influenza solare. Queste discussioni sono centrali per comprendere più a fondo le dinamiche climatiche terrestri e per anticipare i cambiamenti futuri nel sistema climatico globale.

La Figura 19 illustra due grafici a dispersione che rappresentano le altezze geopotenziali medie a 30-hPa al Polo Nord per i mesi di gennaio e febbraio, raccolte tra il 1958 e il 1998, segmentate in base alla fase della Oscillazione Quasi-Biennale (QBO) tropicale: (a) per la fase est e (b) per la fase ovest, seguendo l’aggiornamento dello studio di van Loon e Labitzke del 1994. Ogni grafico contrassegna gli anni in cui si sono verificati significativi riscaldamenti a metà inverno o riscaldamenti finali in questi mesi, evidenziati mediante l’uso di triangoli. Questi anni segnalati rappresentano anomalie significative nelle condizioni stratosferiche, potenzialmente dovute a variazioni dinamiche accentuate.

In aggiunta, i grafici mostrano i valori delle correlazioni lineari, situati negli angoli inferiori di ciascun pannello, che misurano la forza e la direzione della relazione tra il flusso radio solare a 10.7 cm, utilizzato come indicatore dell’attività solare, e le altezze geopotenziali osservate. Una correlazione di -0.69 nel pannello (a) indica una moderata correlazione negativa, suggerendo che durante la fase est della QBO e a bassa attività solare, le altezze geopotenziali tendono ad essere inferiori. Al contrario, il pannello (b) mostra una correlazione di 0.63, indicando una moderata correlazione positiva durante la fase ovest della QBO, dove altezze geopotenziali più elevate sono associate a maggiori attività solari. Le linee tratteggiate in ciascun grafico delineano l’adattamento lineare dei dati, escludendo due anni anomali, 1989 e 1997, che non sono stati considerati nei calcoli statistici.

Questa rappresentazione grafica fornisce una visualizzazione chiara di come variabili climatiche quali la QBO e l’attività solare interagiscono e influenzano le dinamiche stratosferiche al Polo Nord durante i mesi invernali. La disposizione dei dati e l’analisi delle correlazioni offrono spunti cruciali per comprendere meglio le interazioni tra i fenomeni atmosferici a larga scala e le loro manifestazioni regionali e stagionali.

5. Impatti dell’Oscillazione Quasi-Biennale sui Componenti Chimici Atmosferici

5.1 Contesto Storico e Metodologico

Numerose ricerche hanno documentato l’effetto significativo dell’Oscillazione Quasi-Biennale (QBO) sui componenti chimici presenti nell’atmosfera. Le prime indicazioni di tale influenza sono state osservate attraverso le misurazioni da stazioni a terra del contenuto totale di ozono in due località subtropicali, descritte inizialmente da Funk e Garnham nel 1962. Questi dati sono stati successivamente collegati alle oscillazioni dei venti stratosferici da Ramanathan nel 1963. Un’analisi approfondita dei dati storici sull’ozono effettuata da Angell e Korshover nel 1964 ha rivelato una chiara presenza del segnale della QBO nei dati raccolti a Shanghai (31°N) durante gli anni ’30, consolidando ulteriormente le basi per indagini future.

La comprensione dettagliata della struttura temporale, latitudinale e verticale del segnale della QBO relativo all’ozono è stata notevolmente avanzata grazie all’uso delle osservazioni satellitari. Queste ultime, grazie alla loro copertura globale e alla migliore risoluzione temporale e spaziale, hanno permesso di delineare il modello di evoluzione e la struttura verticale della QBO dell’ozono. Nonostante nessun satellite sia stato operativo per l’intero arco temporale in questione, la sovrapposizione delle misure effettuate da più strumenti ha permesso di caratterizzare ampiamente il fenomeno.

Il primo modello di simulazione della QBO dell’ozono fu sviluppato da Reed nel 1964, utilizzando un approccio modello lineare semplificato. Solo ventidue anni dopo, nel 1986, Ling e London hanno implementato la variabilità della QBO dei venti zonali all’interno di un modello radiativo-dinamico-fotochimico unidimensionale della stratosfera, segnando un significativo progresso nella modellazione fotochimica completa della QBO. Questo sforzo iniziale è stato rapidamente seguito dalla simulazione bidimensionale di Gray e Pyle nel 1989, che ha integrato la struttura latitudinale e l’interazione con il ciclo annuale. Successivamente, le simulazioni tridimensionali condotte da Hess e O’Sullivan nel 1995 hanno introdotto rappresentazioni più accurate del trasporto guidato dalle onde. I risultati di questi studi, insieme ad ulteriori ricerche che utilizzano modelli bidimensionali e tridimensionali, hanno significativamente espanso la nostra comprensione dei meccanismi sottostanti la QBO dell’ozono.

Nel corso della loro simulazione QBO bidimensionale, Gray e Chipperfield nel 1990 osservarono variazioni QBO in numerosi altri gas traccianti inclusi nel modello, alcuni dei quali mostravano variazioni sostanziali. Queste predizioni del modello sono state confermate dall’analisi successiva dei dati NO2 raccolti dal Stratospheric Aerosol and Gas Experiment (SAGE) II e, in tempi più recenti, dalle misurazioni di CH4, H2O, HF, HCl e NO effettuate dal Halogen Occultation Experiment (HALOE). Inoltre, è stata documentata una modulazione della QBO degli aerosol vulcanici nella bassa stratosfera, fornendo ulteriori conferme dell’ampio impatto della QBO sui vari costituenti chimici atmosferici.

5.2 Ozono: L’Anomalia Equatoriale

La correlazione marcata tra le variazioni nell’ozono colonnare equatoriale e l’Oscillazione Quasi-Biennale (QBO) dei venti zonali è evidenziata dalla Figura 20a. Questa figura presenta una serie storica delle anomalie dell’ozono equatoriale misurate tramite le tecniche di solar backscattered ultraviolet (SBUV) e SBUV/2, accoppiata a una serie temporale di riferimento dei venti della QBO. Le variazioni registrate oscillano intorno ai 610 unità Dobson (DU), rappresentando approssimativamente il 64% della quantità totale di fondo della colonna di ozono. La serie temporale di riferimento per i venti della QBO è stata elaborata moltiplicando il profilo osservato dei venti stratosferici equatoriali per un profilo di ponderazione, come illustrato nella Figura 20b. Questo profilo di ponderazione è stato derivato empiricamente per ottimizzare l’adattamento ai dati di ozono colonnare, escludendo i periodi influenzati da attività vulcanica.

È notevole l’alta corrispondenza tra le anomalie di ozono osservate e la serie di riferimento dei venti. Le anomalie positive sono associate a venti zonali occidentali nella bassa stratosfera, mentre le anomalie negative sono collegate ai venti orientali. Le correlazioni più robuste con l’ozono colonnare si ottengono quando il profilo di ponderazione è inclinato verso i venti che si verificano tra i 20 e i 30 hPa, piuttosto che verso i venti di riferimento dai 40 ai 50 hPa, che sono generalmente utilizzati nelle correlazioni con i venti zonali extratropicali, come discusso da Dunkerton e Baldwin nel 1991.

Il carattere variabile della QBO dell’ozono equatoriale è ulteriormente delineato nella Figura 21, che mostra una sezione di latitudine-tempo delle anomalie dell’ozono colonnare. È evidente che il segnale QBO equatoriale non si allinea con il ciclo annuale, dato che non emerge una stagione preferenziale per il cambio di segno delle anomalie o per il raggiungimento della loro massima ampiezza.

Un meccanismo esplicativo dell’anomalia della QBO dell’ozono colonnare equatoriale fu proposto per la prima volta da Reed nel 1964. Secondo questo modello, il momento di massimo taglio verticale dei venti occidentali a un determinato livello corrisponde alla fase più calda della QBO della temperatura all’equatore. Questa condizione è quindi il momento di massimo raffreddamento diabatico, inducendo un relativo affondamento delle particelle d’aria attraverso le superfici isentropiche. Tale movimento verticale avviene in una regione atmosferica dove il rapporto di miscelazione dell’ozono aumenta con l’altitudine e dove la vita chimica dell’ozono cambia rapidamente. Al di sotto di circa 28 km, la durata chimica dell’ozono è relativamente lunga rispetto ai processi dinamici, facendo dell’ozono un tracciante a lungo termine. Al di sopra dei 28 km, la durata chimica si riduce significativamente. Il movimento relativo verso il basso dell’aria attraverso questa regione produce un incremento della colonna totale di ozono, poiché ai livelli superiori ai 28 km l’ozono viene rapidamente rimpiazzato dalla produzione chimica su tempi relativamente brevi. Di conseguenza, il massimo dell’ozono colonnare si verifica quando la colonna è stata spostata più in basso nella bassa stratosfera, in seguito alla discesa del taglio dei venti occidentali nella stratosfera più bassa, intorno al tempo dei massimi venti occidentali a 20–30 hPa. Il processo inverso si verifica durante le condizioni di taglio dei venti orientali.

La continuità della massa impone l’esistenza di un flusso di ritorno in questa circolazione nella regione subtropicale, caratterizzato da movimenti ascensionali associati allo shear equatoriale occidentale e movimenti discensionali collegati allo shear equatoriale orientale. Questo meccanismo convenzionalmente riconosciuto rappresenta una parte sostanziale della variabilità osservata, tuttavia, vi sono altri fattori significativi che contribuiscono all’anomalia della colonna di ozono. La Figura 22 illustra una sezione trasversale tempo-altezza dell’anomalia della densità di ozono QBO (Dobson Units per km) ottenuta dal dataset SAGE II. Per isolare la variabilità attribuibile alla QBO, è stata impiegata un’analisi di regressione. La densità dell’ozono è stata utilizzata per determinare visivamente i contributi all’anomalia della colonna di ozono, ottenuti sommando verticalmente le anomalie di densità di ozono. La QBO domina la variabilità dell’ozono all’equatore, con alternanza di anomalie positive e negative che si propagano verso il basso nel tempo, come documentato in studi precedenti.

Ci sono due aree dove si osserva la massima perturbazione dell’ozono: nella bassa stratosfera (20–27 km) e nella media stratosfera (30–37 km). Le anomalie osservate a questi due livelli sono sfasate di circa un quarto di ciclo. Di conseguenza, emerge un contributo minore alla colonna da parte della regione situata sopra i 28 km, che influisce anche sulla tempistica del picco massimo dell’anomalia della colonna di ozono. Il segnale della colonna di ozono QBO equatoriale è stato simulato con una precisione ragionevole dai modelli, specialmente quando i venti osservati sono utilizzati per imporre un periodo realistico della QBO dei venti zonali e quando viene incluso l’effetto dell’anomalia dell’ozono sui tassi di riscaldamento.

L’anomalia dell’ozono QBO al di sopra dei 28 km è stata dimostrata essere controllata dalle variazioni nelle fonti e nei pozzi fotochimici dell’ozono, principalmente attraverso variazioni indotte dal trasporto del NOy (il serbatoio totale di azoto reattivo). Queste dinamiche sublimano l’importanza delle interazioni complesse tra processi chimici e dinamici nella stratosfera, evidenziando il ruolo critico delle variazioni indotte dalla QBO nella chimica dell’ozono stratosferico.

La Figura 20, suddivisa in due parti distinte, fornisce un’analisi dettagliata delle anomalie dell’ozono equatoriale e della loro correlazione con la dinamica dei venti della QBO (Oscillazione Quasi-Biennale).

Nella parte (a) del grafico, è rappresentata la serie temporale delle anomalie dell’ozono equatoriale, misurate in unità Dobson (DU). Le misurazioni derivano dall’integrazione dei dati provenienti da strumenti che utilizzano il metodo del solar backscattered ultraviolet (SBUV e SBUV/2), che sono rappresentate mediante una linea continua. Parallelamente, è tracciata una linea tratteggiata che rappresenta la serie temporale di riferimento dei venti QBO. Quest’ultima è stata ottenuta attraverso la moltiplicazione dei venti osservati a Singapore con un profilo di ponderazione specifico, dettagliato nella parte (b) del grafico. Questa combinazione di dati mostra oscillazioni periodiche nell’ozono, con picchi alternati di anomalie positive e negative che riflettono i cambiamenti periodici nei venti stratosferici equatoriali associati alla QBO.

La parte (b) del grafico visualizza il profilo di ponderazione della pressione, espresso in millibar (mb), utilizzato per calcolare i dati della serie temporale dei venti QBO mostrati nella parte (a). Le posizioni marcate con ‘X’ indicano i valori specifici di ponderazione ai vari livelli di pressione atmosferica. Una linea tratteggiata connette questi punti, mostrando come la ponderazione attribuita ai dati dei venti osservati varia significativamente con la pressione. Questo profilo è stato derivato empiricamente per ottimizzare la corrispondenza con le misurazioni delle anomalie di ozono, illustrando un approccio metodico per affinare la correlazione tra i fenomeni dinamici e chimici nell’atmosfera equatoriale.

Complessivamente, la Figura 20 offre una rappresentazione grafica essenziale per comprendere come le variazioni dei venti QBO influenzino la distribuzione e la variabilità dell’ozono stratosferico equatoriale. Attraverso l’uso di approcci analitici sofisticati, come la regressione ponderata, è possibile isolare e interpretare l’influenza dei pattern di vento sulla composizione chimica atmosferica, sottolineando l’interdipendenza tra i processi fisici e chimici che regolano la nostra atmosfera.

La Figura 21 offre un’analisi dettagliata delle anomalie dell’ozono colonnare attraverso sezioni di latitudine-tempo, utilizzando dati combinati da SBUV e SBUV/2, scomponendole in due panel distinti per un esame più approfondito del fenomeno.

(a) Anomalie Complete: Questa parte del grafico rappresenta le anomalie complete dell’ozono, elaborate come valori desezionalizzati e detrendizzati per il periodo 1979–1994. La rappresentazione grafica utilizza un intervallo di contorno di 3 unità Dobson (DU), con le anomalie positive evidenziate tramite ombreggiatura e l’omissione dei contorni a zero per mettere in risalto le variazioni significative. Le linee verticali marcano il mese di gennaio di ogni anno, servendo come punti di riferimento temporali chiari per il lettore. I tratti diagonali indicano dati considerati non affidabili. Questa visualizzazione permette di osservare le fluttuazioni significative dell’ozono attraverso diverse latitudini e anni, evidenziando i cambiamenti climatici non stagionali che influenzano l’ozono a livello globale.

(b) Componente della QBO: Nel secondo pannello, l’analisi si concentra sulla componente attribuibile alla QBO, estratta mediante un’analisi di regressione che varia in funzione delle stagioni. Mantenendo lo stesso schema di visualizzazione del primo pannello, questo grafico chiarisce come l’Oscillazione Quasi-Biennale modula la distribuzione dell’ozono. Le anomalie visualizzate dimostrano come la QBO influenzi periodicamente la concentrazione di ozono colonnare, alternando periodi di incremento e decremento che sono distinti dalle fluttuazioni di fondo.

In entrambi i pannelli, la moltiplicazione dei dati per il coseno della latitudine assicura una corretta ponderazione areale, un dettaglio metodologico essenziale per garantire che le variazioni di ozono siano rappresentate proporzionalmente rispetto alla distribuzione geografica effettiva. Questo approccio garantisce che l’interpretazione delle variazioni dell’ozono rifletta accuratamente la loro estensione e intensità reale.

Complessivamente, la Figura 21 fornisce una rappresentazione visuale ricca e scientificamente rigorosa delle dinamiche dell’ozono stratosferico a scala globale, sottolineando l’importanza di considerare sia i fattori stagionali che non stagionali nella comprensione dei cambiamenti atmosferici globali. Le variazioni periodiche, così come le tendenze a lungo termine, sono essenziali per comprendere pienamente l’impatto delle dinamiche atmosferiche e delle attività antropiche sullo strato di ozono.

5.3. Ozono: dinamiche nei Subtropici e alle Alte Latitudini

La presenza di un segnale del Quasi-Biennial Oscillation (QBO) nei subtropici che si estende fino alle medie e alte latitudini è evidenziata con chiarezza nella Figura 21. Si osserva un cambiamento di fase di 180° a circa 15° in ciascun emisfero, con l’anomalia ad alta latitudine che si estende almeno fino a 60°N, presentando il massimo intorno alle latitudini di 30°–40°. Questa osservazione si allinea generalmente con la presenza di un braccio di ritorno della circolazione QBO equatoriale locale, caratterizzata da movimenti ascendenti (o discendenti) nei subtropici associati a tagli equatoriali occidentali (o orientali).

Tuttavia, emergono significative deviazioni da questa descrizione semplificata. In primo luogo, la circolazione QBO teorica equatoriale è tipicamente limitata alle basse latitudini e non fornisce una spiegazione adeguata per il segnale QBO dell’ozono al di là di circa 30° di latitudine. In secondo luogo, l’asincronia nel manifestarsi delle anomalie subtropicali rispetto all’equatore è notevole. I picchi e i minimi delle anomalie subtropicali e ad alta latitudine nei due emisferi si verificano con uno sfasamento di circa sei mesi e coincidono con il tardo inverno e la primavera locale. Tale andamento temporale viene confermato nella Figura 23, dove si presenta un adattamento di regressione delle quantità di ozono nella colonna atmosferica misurate dal Total Ozone Mapping Spectrometer (TOMS) in relazione ai venti a 30 hPa di Singapore [Randel e Cobb, 1994]. In media, le anomalie di regressione subtropicali raggiungono il loro apice in marzo e agosto nell’emisfero nord (NH) e sud (SH) rispettivamente. Si noti, tuttavia, che occasionalmente si registrano anomalie subtropicali “mancate”, come evidenziato nel 1981, 1986 e 1991 nel NH e nel 1993 nel SH.

Questo cambio nel periodo del QBO dell’ozono della colonna man mano che si procede verso latitudini superiori [Hilsenrath e Schlesinger, 1981] suggerisce una relazione di fase tra le anomalie equatoriali e subtropicali in continua evoluzione e più complessa di quanto non suggerirebbe una circolazione QBO simmetrica.

Il momento di manifestazione delle anomalie subtropicali e ad alta latitudine durante il tardo inverno e la primavera indica una possibile modulazione del QBO dell’ozono attraverso il ciclo annuale [Bowman, 1989; Hamilton, 1989; Lait et al., 1989]. Le ipotesi iniziali riguardo ai meccanismi di sincronizzazione stagionale delle anomalie subtropicali si focalizzavano sulla modulazione delle anomalie dell’ozono a bassa latitudine una volta generate dalla circolazione QBO simmetrica classica. Per esempio, Holton [1989] proponeva che il trasporto dell’anomalia equatoriale attraverso la circolazione invernale polare potesse spiegare questa stagionalità, mentre Gray e Dunkerton [1990] suggerivano che la subsidenza durante l’inverno potesse preservare l’anomalia dell’ozono subtropicale, e l’ascendenza estiva potesse invece dissolverla. Al contrario, Hamilton [1989] proponeva che potesse esserci una modulazione del trasporto eddico di ozono variabile stagionalmente nei subtropici. Tuttavia, studi successivi di Jones et al. [1998] e Kinnersley [1999] hanno dimostrato una significativa modulazione della circolazione meridionale media indotta dal QBO stesso, in cui la dipendenza stagionale della circolazione si manifesta principalmente a causa dell’advezione orizzontale non lineare del momento zonale nei tropici e nei subtropici, particolarmente asimmetrica durante i periodi solstiziali.

La dinamica del Quasi-Biennial Oscillation (QBO) nell’atmosfera evidenzia una netta asimmetria tra le circolazioni degli emisferi invernale ed estivo, come dimostrato nella Tavola 3. La circolazione invernale è notevolmente potenziata mentre quella estiva risulta indebolita. Questo contrasto marcato discosta dalla classica configurazione simmetrica del QBO, descritta originariamente da Plumb e Bell nel 1982 e rappresentata nella Figura 13. Tale configurazione simmetrica è presumibilmente osservabile solamente nelle porzioni più basse della stratosfera, dove l’advezione orizzontale, influenzata dalla circolazione media asimmetrica, è ritenuta debole, e durante i periodi di equinozio, quando la circolazione media raggiunge la sua minima intensità. Di conseguenza, l’asimmetria osservata nelle anomalie dell’ozono subtropicale è primariamente attribuibile alla formazione di queste ultime attraverso una circolazione QBO intrinsecamente asimmetrica, piuttosto che alla distruzione di un modello preesistente di ozono simmetrico.

Le anomalie non rilevate nei subtropici e nelle medie latitudini nel 1981, 1986 e 1991 nell’emisfero nord, e nel 1993 nell’emisfero sud, come documentato nella Figura 21b, sono ritenute conseguenze del sincronismo tra il QBO equatoriale e il ciclo annuale. Affinché si formi un’anomalia subtropicale significativa durante l’inverno, è necessaria non solo una robusta cisalatura verticale dei venti all’equatore, che induca una vigorosa circolazione QBO, ma anche una forte advezione orizzontale di fondo che intensifichi il lato invernale della circolazione QBO come precedentemente descritto. Queste condizioni devono persistere per uno o due mesi per consentire alla distribuzione dell’ozono di adeguarsi alla circolazione indotta. La mancanza di una di queste condizioni per un periodo sufficientemente prolungato rende improbabile la formazione di un’anomalia subtropicale significativa in quell’anno specifico.

In modo analogo, se il timing e la durata del QBO dei venti equatoriali sono tali per cui persiste nella stessa fase per due inverni consecutivi in uno degli emisferi, si osserveranno due anomalie consecutive dello stesso segno nei subtropici di detto emisfero. Questo fenomeno è stato evidente nell’emisfero sud negli anni 1983–1984 e 1988–1989. Tale fenomeno è interpretabile come un’interazione non lineare tra il ciclo annuale e il QBO, come suggerito da Gray e Dunkerton nel 1990, che comporta una modulazione a bassa frequenza dell’ampiezza delle anomalie dell’ozono nei subtropici e nelle medie latitudini su una scala temporale di circa 5–13 anni. Durante il periodo coperto dai dati nella Figura 23, ciò ha portato a un’anomalia di regressione media maggiore nell’emisfero sud rispetto a quella dell’emisfero nord. Con un intervallo di tempo più esteso, si prevede che le anomalie in entrambi gli emisferi raggiungano dimensioni simili.

Una rappresentazione tipica della sezione trasversale latitudine-altezza del QBO nell’ozono, secondo il modello proposto da Jones et al. nel 1998, è illustrata nella Figura 24 per il solstizio d’inverno nell’emisfero nord. Il massimo del vento QBO orientale si colloca a circa 26 km nei tropici. In entrambe le regioni, tropici e subtropici, il QBO dell’ozono si manifesta con due massimi posizionati nella stratosfera inferiore e media, con le anomalie tropicali e subtropicali che risultano essere sfasate di circa 180°, in linea con le osservazioni.Le anomalie modellate nel contesto del Quasi-Biennial Oscillation (QBO) presentano dimensioni significative nell’emisfero invernale e ridotte nell’emisfero estivo, tanto nelle regioni dominate da processi fotochimici quanto in quelle influenzate dinamicamente. Questo pattern risulta direttamente dall’asimmetria nella circolazione indotta dal QBO, come si evince dalla funzione di flusso di massa illustrata nella Figura 24. L’anomalia dell’ozono emerge direttamente attraverso l’avvezione di ozono nei livelli inferiori e, indirettamente, mediante l’avvezione di NOy nei livelli superiori.

Il modello di Jones et al. [1998], pur fornendo una simulazione efficace dei tropici e dei subtropici, non includeva gli effetti delle influenze extratropicali, quali la modulazione del QBO sulla frammentazione delle onde planetarie. Di conseguenza, le anomalie dell’ozono modellate non si estendono verso i poli tanto quanto indicato dalle osservazioni. Le anomalie nei livelli superiori, come dedotto dalle osservazioni, mostrano valori massimi tra i 10° e i 40° di latitudine, mentre quelle nella stratosfera inferiore raggiungono almeno i 60° [Randel e Wu, 1996]. Il meccanismo attraverso cui si verifica l’estensione polare dell’anomalia dell’ozono, controllata dinamicamente, non è completamente compreso, ma è probabile che coinvolga un’interazione tra le onde planetarie e il QBO equatoriale. La modulazione della forza delle onde planetarie dal QBO dei venti equatoriali provoca una circolazione media a larga scala più intensa negli anni di fase orientale, con una subsidenza più marcata nelle medie latitudini invernali che genera un’anomalia più consistente dell’ozono colonnare in tali anni, rispetto agli anni di fase occidentale, come osservato [Tung e Yang, 1994b].

Per quanto riguarda l’estensione delle anomalie dell’ozono verso medie e alte latitudini, nei modelli di Gray e Pyle [1989] e Kinnersley e Tung [1998], ciò è il risultato di trasporti eddici che variano stagionalmente, trasferendo le anomalie subtropicali verso latitudini superiori. La Figura 25 mostra una correlazione tra l’anomalia dell’ozono simulata da Kinnersley e Tung [1998] e l’anomalia osservata tra il 1978 e il 1993. A medie latitudini, dunque, una pluralità di fattori e processi di feedback contribuisce al quadro finale del QBO dell’ozono, suggerendo che il QBO possa essere responsabile di una porzione più ampia dell’anomalia osservata rispetto a quanto una semplice correlazione con il QBO dei venti potrebbe far supporre.

Ulteriormente, analisi dei dati TOMS e altri registri a lungo termine indicano una regione aggiuntiva di influenza del QBO nelle zone polari invernali [Oltmans e London, 1982; Garcia e Solomon, 1987; Bowman, 1989; Lait et al., 1989; Randel e Cobb, 1994]. Il QBO dell’ozono polare è generalmente sincronizzato con le medie latitudini e segue un modello stagionale analogo, con un’ampiezza massima in primavera. Le evidenze osservative per il QBO dell’ozono polare sono meno statisticamente significative rispetto a quelle dei tropici o delle medie latitudini, parte a causa dell’elevato livello di variabilità interannuale nel vortice primaverile, legato alla forza delle onde planetarie provenienti dalla troposfera [Kinnersley e Tung, 1998]. Viene suggerita l’esistenza di un ciclo di feedback tra la modulazione della temperatura extratropicale indotta dal QBO, la formazione di nuvole stratosferiche polari e la conseguente distruzione chimica sottostante che contribuisce alla formazione del buco dell’ozono [Poole et al., 1989; Mancini et al., 1991; Butchart e Austin, 1996].

La figura illustrata rappresenta una serie temporale di anomalie interannuali nella densità dell’ozono, misurata in Dobson Unit per chilometro (DU/km), per il periodo compreso tra il 1985 e il 1991, specificamente nelle latitudini che variano da 10° Sud a 10° Nord. Questi dati sono stati estratti mediante un’analisi di regressione focalizzata sull’isolamento delle variazioni attribuibili al Quasi-Biennial Oscillation (QBO), un fenomeno noto per la sua influenza significativa sulla dinamica atmosferica equatoriale e subtropicale.

L’asse verticale della figura indica l’altezza espressa in chilometri (km), che varia da 20 a 50 km sopra la superficie terrestre, mentre l’asse verticale destro mostra la pressione atmosferica in millibar (mb), che diminuisce all’aumentare dell’altezza, riflettendo la diminuzione tipica della pressione atmosferica con l’incremento dell’altitudine. Le linee di contorno rappresentate nella figura sono distanziate di 0.3 DU/km. L’omissione del contorno zero e l’ombreggiatura delle regioni con valori positivi evidenziano le anomalie positive nella densità dell’ozono, mentre le anomalie negative rimangono non ombreggiate, facilitando così la distinzione visiva tra le variazioni significative dell’ozono.

L’asse orizzontale della figura mostra la progressione temporale degli anni in esame, da 1985 a 1991, permettendo l’osservazione delle tendenze temporali e delle fluttuazioni periodiche nell’ozono stratosferico. Questo tipo di visualizzazione è cruciale per comprendere la dinamica verticale e temporale delle anomalie dell’ozono nella stratosfera equatoriale, evidenziando le implicazioni del QBO nella modulazione della densità di questo gas vitale.

In sintesi, questa rappresentazione grafica fornisce una comprensione approfondita di come le oscillazioni quasi-biennali dei venti equatoriali modulano le caratteristiche stratosferiche dell’ozono, un aspetto fondamentale per studi climatologici e meteorologici che mirano a decifrare i complessi meccanismi di interazione tra dinamiche atmosferiche e fenomeni climatici globali.

La figura presentata costituisce una sezione latitudinale e temporale del fit di regressione associato al Quasi-Biennial Oscillation (QBO) riguardante la media zonale delle concentrazioni di ozono misurate dal Total Ozone Mapping Spectrometer (TOMS) rispetto ai venti a 30 hPa di Singapore, coprendo il periodo dal 1979 al 1994. L’asse verticale della figura delinea le latitudini che si estendono da 60° Sud a 60° Nord, mentre l’asse orizzontale distribuisce i mesi dell’anno da gennaio a dicembre.

Le curve di contorno rappresentate illustrano variazioni quantitative dell’ozono in unità Dobson (DU), con intervalli di contorno fissati a 2.0, 3.0 DU e così via. Le aree ombreggiate all’interno della grafica indicano le zone in cui gli adattamenti statistici non registrano variazioni significative rispetto allo zero al livello di confidenza di 2 sigma (σ), suggerendo che, in queste aree, la correlazione tra i livelli di ozono e i venti registrati a 30 hPa a Singapore non è statisticamente significativa.

Le regioni tratteggiate, d’altra parte, rappresentano le zone di notte polare, dove i dati sull’ozono sono indisponibili a causa dell’assenza di radiazione solare, essenziale per le misurazioni effettuate dal TOMS. Questo aspetto è particolarmente evidente nelle latitudini elevate durante i mesi invernali, dove si osserva una estesa banda tratteggiata che corrisponde al periodo di oscurità prolungata.

Complessivamente, il grafico fornisce un’analisi dettagliata dell’influenza stagionale e latitudinale del QBO sulla distribuzione verticale e orizzontale dell’ozono nell’atmosfera terrestre. La modifica e l’aggiornamento della figura da parte di Randel e Cobb nel 1994 implica che i dati possono essere stati rianalizzati o estesi rispetto al periodo originale per offrire una rappresentazione più completa o aggiornata delle dinamiche atmosferiche osservate.

La figura rappresentata illustra le anomalie del Quasi-Biennial Oscillation (QBO) nell’ozono per il mese di gennaio, espressi in Dobson Unit per chilometro (DU/km), come risultato del modello bidimensionale sviluppato da Jones et al. [1998]. L’asse delle ordinate della figura mostra l’altitudine misurata in chilometri, che si estende verticalmente fino a 40 km, mentre l’asse delle ascisse indica le latitudini, che variano da -60° a +60°.

Le anomalie dell’ozono sono indicate attraverso diversi schemi di ombreggiatura: le aree con ombreggiatura più chiara denotano anomalie positive di ozono, indicando un aumento della concentrazione di ozono al di sopra della norma; al contrario, le aree con ombreggiatura più scura rappresentano anomalie negative, segnalando una riduzione della concentrazione di ozono. Questo metodo di visualizzazione permette di distinguere chiaramente le aree con surplus o deficit di ozono rispetto ai livelli medi.

I contorni solidi visualizzati nella figura rappresentano la funzione di corrente di massa positiva nell’atmosfera. Questi contorni sono cruciali per comprendere i movimenti di massa d’aria, poiché delineano le configurazioni del flusso atmosferico che contribuiscono al trasporto verticale e orizzontale dell’ozono. Gli intervalli di contorno sono stabiliti a 0.2 DU/km e sono deliberatamente omessi i contorni a zero, focalizzando così l’attenzione sulle variazioni significative nell’ozono.

Complessivamente, questa figura fornisce un’analisi visiva dettagliata di come il QBO influenzi la distribuzione dell’ozono all’interno dell’atmosfera terrestre, mostrando variazioni significative sia in senso verticale che latitudinale. L’interpretazione di tali dati è fondamentale per la comprensione dei meccanismi dinamici dell’atmosfera e per analizzare l’interazione tra i venti equatoriali e la variabilità dell’ozono, contribuendo così alla nostra conoscenza complessiva delle dinamiche climatiche globali.

La figura presentata illustra l’analisi della correlazione tra i dati detrendizzati della colonna di ozono, misurati mensilmente dal Total Ozone Mapping Spectrometer (TOMS), e i dati prodotti dal modello atmosferico di Kinnersley e Tung [1998], il quale è stato influenzato dai dati dei venti osservati a Singapore. Il periodo di tempo considerato per questa analisi si estende da novembre 1978 ad aprile 1993.

L’asse orizzontale della figura rappresenta i mesi dell’anno, estendendosi da gennaio (J) a dicembre (D), mentre l’asse verticale mostra una scala di latitudine che va da 90 gradi sud a 90 gradi nord. Le curve di contorno delineate nella figura indicano i livelli di correlazione tra i dati osservati e quelli modellati, con un intervallo di contorno stabilito a 0.1.

Osservazioni chiave dalla figura:

• Correlazioni Positive: Le aree con ombreggiature più chiare segnalano una correlazione positiva significativa tra i dati modellati e quelli osservati, indicando che il modello simula efficacemente le variazioni nella colonna di ozono in risposta ai venti di Singapore per queste specifiche regioni e periodi.
• Correlazioni Negative o Basse: Le regioni visualizzate con ombreggiature più scure o senza ombreggiatura rappresentano aree di bassa correlazione o correlazione negativa, implicando che il modello non riflette con precisione le variazioni osservate nella colonna di ozono in tali latitudini o periodi.
• Variabilità Stagionale e Latitudinale: La figura rivela distintamente che esistono notevoli variazioni stagionali e latitudinali nella correlazione. In particolare, le zone equatoriali e tropicali mostrano periodi di alta correlazione durante certi mesi dell’anno, mentre le latitudini più elevate esibiscono pattern di correlazione più complessi e meno prevedibili durante l’anno.

La capacità di questo modello di riflettere accuratamente le osservazioni reali è essenziale non solo per la validazione del modello stesso ma anche per la sua applicazione in ulteriori studi climatologici. L’efficacia di un modello nel simulare le dinamiche osservate dell’ozono è fondamentale per comprendere i meccanismi atmosferici che governano la distribuzione dell’ozono e per prevedere le sue variazioni future in risposta ai cambiamenti climatici e atmosferici globali.

5.4. Anomalie del QBO in Altre Specie Traccianti

Il fenomeno del QBO (Oscillazione Quasi-Biennale) esercita un’influenza significativa su numerosi gas traccianti nell’atmosfera, inclusi il metano (CH₄), il vapore acqueo (H₂O), gli aerosol vulcanici e specie chimiche a vita breve quali il diossido di azoto (NO₂) e il pentossido di diazoto (N₂O₅). Dopo eruzioni vulcaniche di grande entità nelle latitudini equatoriali, le distribuzioni di aerosol rivelano schemi di circolazione distinti associati alle due fasi del QBO, come illustrato nella Figura 26 di Trepte e Hitchman [1992]. Durante la fase di discesa dei venti occidentali (Figura 26a), si osserva un caratteristico “doppio picco” della distribuzione di aerosol con massimi relativi nelle regioni subtropicali e un minimo all’equatore tra i 20 e i 50 hPa. Al contrario, nella fase di discesa dei venti orientali (Figura 26b), emerge un singolo picco equatoriale. Le frecce in grassetto indicano l’orientamento approssimativo delle circolazioni indotte dal QBO. L’apparente simmetria del doppio picco, in contrasto con l’asimmetria emisferica discusse nella sezione precedente, potrebbe derivare dal fatto che queste osservazioni sono state condotte in prossimità dell’equinozio, quando il flusso trasversale all’equatore è minimo, e possibilmente anche perché lo strato di aerosol si trova nella stratosfera equatoriale inferiore, dove l’influenza della circolazione media asimmetrica è meno evidente.

La Figura 27 presenta le anomalie interannuali di H₂O all’equatore, basate sulle osservazioni HALOE di Randel et al. [1998]. L’anomalia del QBO in H₂O mostra una lenta ascesa temporale, seguendo approssimativamente la velocità dell’upwelling medio di fondo, in contrasto con la lenta discesa dell’anomalia dell’ozono. Fuori dalla stratosfera equatoriale inferiore e media, le variazioni dell’anomalia di H₂O riflettono quelle osservate in CH₄, ma con segno inverso. Nella stratosfera superiore (35–45 km), tali anomalie sono quasi in fase con i venti del QBO a circa 30 km. Le fluttuazioni di CH₄ e H₂O in questa regione si compensano in gran parte, risultando in minori variazioni di H₂O + CH₄, che rappresenta la frazione variabile dell’idrogeno totale. Questa compensazione conferma la produzione di vapore acqueo attraverso l’ossidazione di CH₄, evidenziando che tali anomalie stratosferiche derivano da variazioni nei processi di trasporto.

Una zona dove si notano significative divergenze tra le anomalie di CH₄ e H₂O è la stratosfera media tropicale, dove H₂O e H₂O + CH₄ mostrano variazioni del QBO tra i 25 e i 35 km, mentre non si osservano variazioni per CH₄. Questi pattern sono centrati equatorialmente (circa 15°N–15°S) e correlano strettamente con il vento zonale del QBO a circa 20 hPa. Un possibile meccanismo alla base del segnale di H₂O tropicale potrebbe essere che le variazioni di temperatura del QBO modulano le temperature della tropopausa tropicale [ad esempio, Reid e Gage, 1985], influenzando così l’ingresso di vapore acqueo nella stratosfera inferiore [Mote et al., 1996]. Tuttavia, le anomalie di H₂O osservate da HALOE non mostrano una forte coerenza tra i livelli dei 100 e 30 hPa nella Figura 27, e le variazioni ai livelli più bassi non esibiscono un comportamento QBO pronunciato. Il meccanismo sottostante al segnale del QBO nella stratosfera media di H₂O necessita di ulteriori investigazioni per essere pienamente compreso.

Le osservazioni di traccianti atmosferici a lunga durata forniscono evidenze significative riguardo l’impatto sostanziale dell’Oscillazione Quasi-Biennale (QBO) nelle medie latitudini. La Figura 28 esemplifica le distribuzioni del metano (CH₄) rilevate da HALOE nei mesi di gennaio e aprile degli anni 1993 (fase di venti occidentali) e 1994 (fase di venti orientali). Specificamente, nel gennaio del 1994, si osserva un modello a “scala” nelle isolinee, estendendosi dai tropici fino alle medie latitudini dell’emisfero nord, marcatamente differente dalla configurazione del gennaio 1993. Questo schema è corroborato anche dai dati provenienti dal Microwave Limb Sounder (MLS) e dal Cryogenic Limb Array Etalon Spectrometer (CLAES), come riportato da Dunkerton e O’Sullivan [1996], O’Sullivan e Dunkerton [1997], Gray e Russell [1999], e Gray [2000]. Questi ultimi, in particolare, hanno dimostrato che l’asimmetria pronunciata tra le anomalie del QBO nei due emisferi nel 1994 concorda con i modelli di circolazione asimmetrica del QBO descritti da Jones et al. [1998] e Kinnersley [1999]. Tale dettagliata configurazione a “scala” illustrata nella Figura 28c emerge da una complessa interazione tra l’advezione operata dalla circolazione locale del QBO e gli effetti della miscelazione isentropica a medie latitudini.

Nel corso di aprile 1993, come mostrato nella Figura 28b, la distribuzione del metano evidenzia una struttura di doppio picco situata tra 0.3 e 5 hPa, posizionata ben al di sopra di quella osservata per gli aerosol vulcanici nella Figura 26. Tale doppio picco è generato dall’advezione verticale associata al taglio occidentale della Oscillazione Semestrale (SAO), come discusso da Gray e Pyle [1986] e Sassi e Garcia [1997]. L’analisi delle osservazioni HALOE rivela una marcata variazione del QBO nell’intensità di questo doppio picco della SAO: prominente nei periodi di fase occidentale (Figura 28b) e quasi impercettibile nei periodi di fase orientale (Figura 28d), come evidenziato da Ruth et al. [1997] e Randel et al. [1998]. Questo fenomeno appare controintuitivo; infatti, durante una fase QBO orientale, è attesa una maggiore propagazione verticale di onde che si muovono verso est, che dovrebbe intensificare il taglio del vento occidentale della SAO. Tuttavia, uno studio di modellazione in 2-D condotto da Kennaugh et al. [1997] ha evidenziato che un rinforzo nella forzatura delle onde orientali porta anche a una più rapida discesa della fase occidentale della SAO durante una fase QBO orientale. Di conseguenza, la circolazione della SAO responsabile per la formazione del doppio picco non persiste a un livello stabile abbastanza a lungo da permettere ai traccianti di rispondere adeguatamente alla sua presenza.

Le osservazioni delle distribuzioni di metano (CH₄) nel mese di gennaio evidenziano una marcata impronta dell’Oscillazione Quasi-Biennale (QBO) nella ripidità delle isolinee nella zona subtropicale, attorno ai 30 hPa. Durante il 1993 (Figura 28a), queste isolinee presentano una modesta inclinazione che si estende dall’equatore fino alle medie latitudini, mentre nel 1994 (Figura 28c) esse assumono una conformazione quasi verticale, come documentato da Gray e Russell [1999]. Tale differenziazione non è altrettanto percettibile nelle distribuzioni di aerosol della Figura 26, probabilmente a causa delle peculiari distribuzioni dei gradienti di tracciante immediatamente successive a un’eruzione vulcanica, benché si manifesti più chiaramente nei dati compositi degli aerosol [Hitchman et al., 1994].

Non è immediatamente chiaro se questo fenomeno sia attribuibile direttamente all’advezione operata dalla circolazione QBO o se sia invece il risultato dell’influenza del QBO sull’estensione equatoriale del mixing delle onde di Rossby, influenzando così l’acutizzazione dei gradienti del potenziale vorticoso (PV) e dei traccianti al limite subtropicale della “surf zone”. Alcuni studi indicano una possibile sensibilità della miscelazione isentropica al QBO [Dunkerton e Baldwin, 1991; O’Sullivan e Young, 1992; O’Sullivan e Chen, 1996; O’Sullivan e Dunkerton, 1997], con evidenze supportate anche da misurazioni satellitari [Grant et al., 1996]. D’altra parte, analisi condotte da Waugh [1996] mediante l’utilizzo di venti analizzati e tecniche di advezione di contorni per quantificare la miscelazione nelle regioni subtropicali non hanno rivelato una sensibilità marcata al QBO, il che potrebbe riflettere una carenza di dati affidabili sui venti in tali regioni. Gray e Russell [1999] hanno osservato che l’aspetto più evidente della firma del QBO risiede nella ripidità delle isolinee piuttosto che nei gradienti isentropici, il che suggerisce un ruolo significativo dell’advezione indotta dalla circolazione del QBO nel determinare questa caratteristica. Tale interpretazione trova ulteriori conferme nei modelli di Jones et al. [1998] e Kinnersley [1999], che hanno replicato alcuni aspetti di questo incremento della ripidità utilizzando esclusivamente trasporti advettivi.

Le anomalie del QBO in una specie a vita breve, l’NO₂, come misurate da HALOE, sono illustrate nella Figura 29. Il pattern generale di tali anomalie è analogo a quello dell’NO e riflette le variazioni indotte dal QBO nella concentrazione di NOy nella stratosfera [Gray e Chipperfield, 1990; Jones et al., 1998]. Le anomalie di NOy sono generate dall’influenza dell’advezione verticale sul gradiente verticale di NOy [Chipperfield et al., 1994; Politowicz e Hitchman, 1997; Jones et al., 1998]. Sotto i circa 5 hPa, l’ampiezza del QBO nell’NO₂ supera quella dell’NO, risultato influenzato dalle anomalie di temperatura del QBO che modificano il rapporto tra le abbondanze di NO e NO₂ attraverso la reazione NO + O₃ → NO₂ + O₂ [Gray e Chipperfield, 1990]. La causa di un segnale QBO così pronunciato nell’NO al di sopra dei 5 hPa rimane non determinata, ma è presumibilmente legata al predominante contributo dell’NO al NOy a queste altitudini.

L’andamento delle anomalie QBO in HCl osservato da HALOE (non mostrato) è simile a quello dell’NO e dell’NO₂. Nel loro studio di modellazione, Gray e Chipperfield [1990] hanno rilevato una corrispondenza tra le anomalie QBO del NOy e del Cly (il serbatoio totale di cloro inorganico). Tali anomalie sono state generate dall’advezione verticale dei gradienti verticali positivi di Cly e NOy nella stratosfera inferiore e media. Nella stratosfera superiore, dove il gradiente verticale di Cly è debole, le anomalie QBO in HCl risultano anch’esse deboli, confermando il meccanismo proposto.

La Figura 26 illustra sezioni trasversali latitudine-altitudine dell’estinzione degli aerosol durante due distinti periodi quadraginta-giornalieri, rappresentativi delle fasi di taglio occidentale e orientale dell’Oscillazione Quasi-Biennale (QBO). Queste fasi sono di fondamentale importanza nello studio delle dinamiche atmosferiche stratosferiche, influenzando la distribuzione e la dinamica degli aerosol derivanti da fenomeni naturali come le eruzioni vulcaniche.

1. Panello (a) – Fase di taglio occidentale del QBO, dati centrati sull’11 novembre 1984: In questo grafico, le isolinee, rappresentate con un intervallo di contorno di 2,5, delineano l’estinzione degli aerosol. Si osserva una struttura distintiva caratterizzata da un doppio picco di estinzione, con un massimo più accentuato nell’emisfero settentrionale e un secondo picco meno definito nell’emisfero meridionale. Questa distribuzione è tipica della fase di taglio occidentale, durante la quale i venti prevalenti favoriscono un confinamento degli aerosol in specifiche fasce latitudinali. Al centro, vicino all’equatore, si nota una relativa diminuzione dell’estinzione degli aerosol, suggerendo una minore presenza o una dispersione di queste particelle nella regione equatoriale. Il pattern osservato è indicativo di dinamiche di discesa nell’ambito della circolazione atmosferica, che influenzano la sedimentazione verticale degli aerosol nella stratosfera.
2. Panello (b) – Fase di taglio orientale del QBO, dati centrati sul 4 ottobre 1988: Le isolinee in questo pannello mostrano un intervallo di contorno di 0,5, indicando un livello generalmente più basso di estinzione degli aerosol rispetto al panello (a). Il grafico rivela un accresciuto livello di estinzione equatoriale, con una distribuzione più uniforme attraverso le varie latitudini. Questo è indicativo del regime di venti orientali associato a questa fase del QBO, che tende a promuovere una maggiore miscelazione verticale e una diffusione degli aerosol attraverso la colonna stratosferica. La presenza marcata di aerosol all’equatore e la loro più omogenea distribuzione latitudinale riflettono una dinamica di sollevamento, contraria a quella osservata nella fase di taglio occidentale.

Le frecce nei grafici non solo illustrano la direzione approssimativa della circolazione indotta dal QBO ma anche enfatizzano come la configurazione dei venti stratosferici possa modulare significativamente la distribuzione verticale e latitudinale degli aerosol. Tali dinamiche sono cruciali per comprendere i meccanismi di trasporto degli aerosol e la loro interazione con altri componenti atmosferici in un contesto globale. Questi dati, quindi, forniscono una finestra essenziale sulle complesse interazioni tra fenomeni vulcanici, circolazione stratosferica e variazioni climatiche su scala globale.

La Figura 27 illustra le sezioni trasversali tempo-altitudine delle anomalie interannuali di H₂O (vapore acqueo) nella regione equatoriale, basate sui dati raccolti dallo strumento HALOE (Halogen Occultation Experiment). Questo diagramma copre il periodo dagli anni 1992 al 1999 e estende la sua analisi da un’altezza di circa 20 km (corrispondente a 50 mb) fino a 50 km (1 mb) dalla superficie terrestre.

1. Asse Verticale (Altezza/Pressione): L’asse verticale del grafico è diviso in due scale, mostrando l’altezza in chilometri sulla sinistra e la pressione in millibar sulla destra. Questa rappresentazione è tipica dei grafici atmosferici, dove la pressione atmosferica diminuisce all’aumentare dell’altitudine, rispecchiando la diminuzione della densità dell’aria con l’ascensione dalla superficie terrestre.

2. Asse Orizzontale (Tempo): L’asse orizzontale documenta il tempo, con un intervallo che va dal 1992 al 1999. Questo intervallo consente di esaminare le variazioni pluriennali nella concentrazione di vapore acqueo e di identificarne le tendenze o ciclicità su base annuale.

3. Contorni (Anomalie di H₂O): I contorni rappresentati nel grafico indicano le anomalie nelle concentrazioni di vapore acqueo, misurate in parti per milione per volume (ppmv). L’intervallo di contorno è fissato a 0,1 ppmv e il contorno corrispondente al valore medio è deliberatamente omesso per enfatizzare le deviazioni positive e negative dalla norma. Le linee continue indicano un incremento delle concentrazioni medie di H₂O, mentre quelle tratteggiate rappresentano una diminuzione.

4. Interpretazione e Implicazioni: L’analisi del grafico rivela la presenza di cicli apparentemente periodici di aumento e diminuzione delle concentrazioni di vapore acqueo a diverse altitudini sopra l’equatore. Queste oscillazioni possono essere correlate con fenomeni climatici globali quali l’Oscillazione Quasi-Biennale (QBO), che esercita un’influenza significativa sulla distribuzione e sulla concentrazione di gas nella stratosfera. L’esame di queste variazioni è essenziale per comprendere meglio i processi chimici e dinamici dell’atmosfera terrestre e per valutare gli impatti potenziali sul clima globale e sulla distribuzione degli aerosol stratosferici.

In conclusione, questa rappresentazione fornisce una visualizzazione complessa e dettagliata delle variazioni del vapore acqueo stratosferico, essenziale per studi avanzati sui cambiamenti climatici, sulla chimica atmosferica e sulle dinamiche stratosferiche legate all’umidità equatoriale.

La figura illustrata proviene dal materiale informativo dell’Upper Atmosphere Research Satellite (UARS) e presenta i risultati ottenuti dall’High Resolution Doppler Imager (HRDI) relativi ai venti zonali mediati su scala zonale nella stratosfera e nella mesosfera tropicale, per il periodo che va dal 1992 al 1998.

Nel pannello superiore della figura, è possibile osservare la variazione dei venti zonali tra i 20 e i 100 km di altitudine. Le tonalità di colore variano dal verde al blu per indicare i venti orientali, e dal rosso al giallo per i venti occidentali. Questa rappresentazione evidenzia chiaramente il fenomeno dell’Oscillazione Quasi-Biennale (QBO), caratterizzato da un’alternanza ciclica di venti orientali e occidentali che si spostano verso il basso attraverso la stratosfera. Tra i 60 e gli 80 km, la struttura dei venti è influenzata dall’Oscillazione Semestrale (SAO), mostrando una marcata periodicità semestrale nei cambiamenti dei venti.

Il pannello inferiore della figura mostra l’analisi dei dati con la rimozione degli effetti dell’Oscillazione Semestrale (SAO) e dell’Oscillazione Annuale (AO). Questa modifica mette in evidenza l’estensione dell’influenza del QBO fino alla mesosfera, raggiungendo un’altezza di circa 80 km. È evidente che le variazioni dei venti nella mesosfera coincidono temporalmente con i cambiamenti osservati nei venti QBO intorno ai 30 km di altitudine. L’interazione tra la mesosfera e la stratosfera è ipotizzata essere mediata dalle onde di gravità a piccola scala, che propagano verticalmente, come illustrato dalle frecce ondulate nella figura.

Questa analisi visiva è fondamentale per comprendere le dinamiche dei venti atmosferici superiori e il loro impatto sui processi di trasporto verticale e orizzontale nell’atmosfera terrestre. Il riconoscimento delle connessioni tra diverse parti dell’atmosfera e il ruolo delle onde di gravità nella distribuzione di energia e momento attraverso vari strati atmosferici rappresenta un passo cruciale verso una più accurata comprensione dei meccanismi climatici e meteorologici globali.

Le figure presentate derivano dalle osservazioni effettuate dallo strumento HALOE (Halogen Occultation Experiment) e mostrano le sezioni trasversali dell’altitudine rispetto alla latitudine equivalente per le concentrazioni di metano (CH₄) nei mesi di gennaio e aprile degli anni 1993 e 1994. Ciascun pannello visualizza la distribuzione verticale e latitudinale del metano, utilizzando un intervallo di contorno di 0,1 parti per miliardo in volume (ppbv), per esplorare la variabilità stagionale e annuale di questo importante gas serra.

1. Pannello (a) – Gennaio 1993: – Questa sezione mostra le concentrazioni di metano durante il mese di gennaio del 1993. È evidente un aumento della concentrazione di CH₄ con l’altitudine, raggiungendo valori massimi intorno ai 40 km. Le linee di contorno indicano una distribuzione relativamente omogenea del metano attraverso le diverse latitudini, benché si noti una leggera tendenza alla maggiore concentrazione nelle latitudini più elevate.

2. Pannello (b) – Aprile 1993: – In aprile 1993, si osserva un pattern distributivo del metano simile a quello di gennaio dello stesso anno. La concentrazione massima si localizza ancora una volta intorno ai 40 km. Tuttavia, questo pannello rivela una leggera differenziazione latitudinale, con concentrazioni un poco maggiori verso le latitudini inferiori.

3. Pannello (c) – Gennaio 1994: – Le osservazioni di gennaio 1994 confermano una consistenza nella distribuzione di CH₄ rispetto agli anni precedenti, con le concentrazioni più elevate sempre localizzate attorno ai 40 km di altitudine. Le linee di contorno mostrano una distribuzione largamente uniforme lungo le latitudini, sottolineando una stabilità nella distribuzione del metano in questo periodo.

4. Pannello (d) – Aprile 1994: – L’ultimo pannello, relativo ad aprile 1994, evidenzia un incremento nelle variazioni latitudinali delle concentrazioni di metano rispetto agli altri pannelli. Anche in questo caso, le concentrazioni più elevate si trovano attorno ai 40 km, ma si osserva una densità maggiore di metano nelle latitudini medie, indicando una possibile variazione nella dinamica atmosferica o nei processi di emissione e rimozione del metano.

In sintesi, queste figure illustrano non solo la prevalenza di concentrazioni più elevate di CH₄ nella bassa mesosfera durante i mesi selezionati di gennaio e aprile per gli anni 1993 e 1994, ma anche le sottili variazioni stagionali e annuali che possono riflettere cambiamenti nella dinamica atmosferica o nei processi biogeochimici. Queste osservazioni sono cruciali per la comprensione delle dinamiche del metano nell’atmosfera terrestre e per valutare il suo impatto nel contesto dei cambiamenti climatici globali.

La Figura 29 illustra una sezione trasversale altezza-tempo che evidenzia le anomalie di NO₂ (diossido di azoto) osservate nella banda di latitudine compresa tra 10°S e 10°N, tramite le osservazioni al tramonto effettuate dallo strumento HALOE (Halogen Occultation Experiment). Questo grafico, che copre il periodo dal 1992 al 1999, fornisce una rappresentazione dettagliata delle variazioni nella concentrazione di NO₂ dall’alta troposfera fino alla mesosfera inferiore, da circa 20 km a 50 km di altezza.

Analisi dettagliata della figura:

1. Asse Verticale (Altezza): L’asse verticale del grafico mostra l’altezza espressa in chilometri, estendendosi da 20 km a 50 km. Questo intervallo comprende porzioni della stratosfera superiore e della mesosfera inferiore, aree cruciali per lo studio della dinamica atmosferica e delle interazioni chimiche.
2. Asse Orizzontale (Tempo): L’asse orizzontale indica gli anni, dal 1992 al 1999, permettendo l’analisi delle tendenze temporali nelle concentrazioni di NO₂. Questa rappresentazione temporale è essenziale per correlare le variazioni osservate con fenomeni climatici globali e cicli atmosferici.
3. Contorni (Anomalie di NO₂): I contorni nel grafico rappresentano le anomalie nella concentrazione di NO₂, misurate in parti per miliardo per volume (ppbv), con un intervallo di contorno di 0,2 ppbv. I contorni zero sono omessi per enfatizzare le deviazioni dalla media di lungo termine, sottolineando le regioni con concentrazioni significativamente alterate, sia positive che negative.
4. Interpretazione e Implicazioni: Le strutture ovali e circolari formate dai contorni indicano l’esistenza di cicli di variazione nelle anomalie di NO₂, che sono strettamente correlate con l’Oscillazione Quasi-Biennale (QBO). Questa oscil-lazione produce cambiamenti periodici nei venti stratosferici che influenzano direttamente la distribuzione verticale e temporale di specie chimiche come il NO₂. Le alterazioni cicliche mostrate nei contorni riflettono l’impatto del QBO sulla chimica atmosferica e, potenzialmente, sulle dinamiche climatiche regionali e globali.

Importanza della Visualizzazione: Questo grafico è fondamentale per gli scienziati che studiano l’interazione tra dinamiche atmosferiche e reazioni chimiche. Le variazioni di NO₂ sono particolarmente significative data la sua reattività e il suo ruolo nella catalisi delle reazioni che influenzano lo strato di ozono e altri importanti processi atmosferici. Comprendere come il QBO moduli tali distribuzioni è cruciale per i modelli climatici e per prevedere la risposta dell’atmosfera a vari cambiamenti ambientali e antropogenici.

Analisi dei Processi Oscillatori nell’Atmosfera Equatoriale: Osservazioni dalla Stratosfera alla Mesosfera

Introduzione

L’oscillazione quasi-biennale (OQZ), un fenomeno atmosferico ben documentato, si manifesta tramite variazioni periodiche dei venti equatoriali principalmente nella stratosfera. Recentemente, studi hanno esteso la comprensione di questo fenomeno fino alla mesosfera, introducendo complessità aggiuntive e nuove dinamiche nel modello di oscillazione. Questo articolo esamina le misurazioni storiche e le scoperte recenti relative all’OQZ nella mesosfera, con particolare attenzione ai dati raccolti tramite sonde e satelliti.

Osservazioni Storiche e Tecniche di Misurazione

Le misurazioni iniziali mediante rawinsonde e rocketsonde hanno fornito dati fino a circa 30 km e 60 km rispettivamente, coprendo solo la bassa mesosfera come illustrato nella Tavola 1. Tuttavia, il lancio del High Resolution Doppler Imager (HRDI) sul satellite Upper Atmosphere Research Satellite (UARS) nel novembre del 1991 ha significativamente ampliato la portata di queste osservazioni. HRDI ha fornito dati cruciali sui venti equatoriali in un intervallo di altitudine da 10 a 40 km e da 50 a 115 km.

Scoperte dell’HRDI e l’Oscillazione Quasi-Biennale Mesosferica (MQBO)

I dati HRDI hanno rivelato per la prima volta l’esistenza di un’OQZ nella mesosfera superiore, denominata MQBO. L’analisi dei venti equatoriali medi mensili, visualizzata nella Tavola 6 (pannello superiore), conferma la presenza dell’OQZ fino a 40 km e introduce l’Oscillazione Semiannuale (SAO) da circa 55 a 85 km. Ulteriori analisi hanno evidenziato un MQBO centrato vicino agli 85 km, dopo l’eliminazione delle componenti armoniche annuale e semiannuale, come mostrato nel pannello inferiore della Tavola 6.

Correlazioni e Implicazioni Teoriche

Nonostante il record HRDI sia relativamente breve per confermare con certezza un legame diretto tra MQBO e OQZ stratosferico, studi come quello di Garcia et al. (1997) hanno suggerito una possibile correlazione. Hanno osservato che la fase orientale della SAO mesosferica tende ad essere più forte durante la presenza di forti venti occidentali nell’OQZ stratosferico, un pattern osservato nei dati satellitari e radar tra il 1992 e il 1995. Tuttavia, esistono eccezioni, specialmente nei dati radar del 1990-1991.

La validità di questi collegamenti è ulteriormente supportata da evidenze teoriche e di modellizzazione. Mayr et al. (1997) hanno utilizzato un modello bidimensionale per simulare le oscillazioni nella stratosfera e mesosfera equatoriali causate dalle onde di gravità in propagazione verticale. I risultati hanno rivelato un OQZ non confinato alla stratosfera ma esteso fino alla mesosfera superiore, confermando le osservazioni dei dati HRDI e dei radar di Christmas Island.

Conclusioni

La comprensione delle oscillazioni zonali equatoriali e delle loro interazioni attraverso le diverse fasce atmosferiche rimane un campo di studio vitale per la meteorologia e la climatologia. L’analisi delle ampiezze di queste oscillazioni, riassunta nella Figura 30, mostra variazioni significative con l’altitudine, rivelando l’importanza di studi continui e approfonditi per decifrare questi complessi sistemi atmosferici.

L’articolo riporta come le osservazioni dettagliate e le analisi modellistiche continuano a svelare le dinamiche intricate dell’atmosfera equatoriale, con implicazioni cruciali per la comprensione delle dinamiche climatiche globali.

6.2. Impatto dell’Oscillazione Quasi-Biennale sulla Troposfera Extratropicale

L’influenza dell’Oscillazione Quasi-Biennale (OQZ) sulla guida d’onda per le onde planetarie che si propagano verticalmente e la sua conseguente modulazione della circolazione stratosferica invernale extratropicale sono state dimostrate efficacemente nel capitolo precedente. Questo effetto risulta particolarmente evidente nell’Emisfero Nord, dove le ampiezze delle onde e le perturbazioni della circolazione stratosferica sono esacerbate dai riscaldamenti maggiori.

L’analisi della modulazione del vento zonale indotta dall’OQZ è stata effettuata utilizzando dati storici e simulazioni di modelli globali di circolazione (GCM). La Figura 14 ha illustrato come questa modulazione si estenda al di sotto della tropopausa nel NH durante il mese di gennaio. Le ricerche di Angell e Korshover del 1975 hanno stabilito una forte correlazione tra il vento zonale a 50 hPa a Balboa e lo spostamento del vortice polare nordico a 300 hPa, vicino alla tropopausa.

La firma superficiale dell’OQZ è stata esaminata per la prima volta da Holton e Tan nel 1980, mostrando differenze significative nel geopotenziale a 1000 hPa tra le due fasi dell’OQZ. Un’analisi aggiornata di questi risultati, basata sui dati del periodo 1964–1996, è rappresentata nella Figura 31. Il pattern osservato suggerisce una modulazione della forza del vortice polare con anomalie di segno opposto in latitudini basse e medie, risultato coerente con le osservazioni precedenti.

Hamilton, nel 1998, utilizzando una simulazione GCM di 48 anni con un OQZ impostato, ha identificato variazioni statisticamente significative, seppur piccole, nella forza del vortice polare nella troposfera superiore.

Le crescenti evidenze da osservazioni, modelli numerici e modelli concettuali confermano che le anomalie stratosferiche influenzano la troposfera. Boville, nel 1984 e nel 1986, ha dimostrato tramite simulazioni GCM che modifiche nella struttura del vento zonale ad alta latitudine nella stratosfera possono indurre cambiamenti nel flusso zonale medio fino alla superficie terrestre e nella struttura delle onde planetarie. Questi cambiamenti determinano il grado di intrappolamento delle onde planetarie nella troposfera, influenzando così la sensibilità della troposfera alle strutture del vento zonale stratosferico.

Kodera e colleghi, nel 1990, hanno utilizzato sia osservazioni che un GCM per mostrare che le anomalie nella stratosfera superiore a media latitudine in dicembre tendono a spostarsi verso i poli e verso il basso, raggiungendo la troposfera circa due mesi dopo. Questi effetti sono interpretati come modifiche del vento zonale medio zonale, che funge da guida d’onda per la propagazione delle onde planetarie. Le anomalie stratosferiche inducono quindi cambiamenti nella propagazione delle onde ai livelli inferiori, che a loro volta modificano il flusso zonale medio.

Questo studio mette in luce la complessità e l’importanza delle interazioni verticali e latitudinali nella circolazione atmosferica, evidenziando l’importanza dell’OQZ come modulatore significativo della dinamica climatica extratropicale. Questi risultati non solo arricchiscono la nostra comprensione dei processi dinamici atmosferici, ma offrono anche spunti cruciali per la previsione e la gestione dei cambiamenti climatici a scala globale.Nel campo della meteorologia e della climatologia, l’analisi dei modi di variabilità atmosferica fornisce una prospettiva fondamentale per comprendere le dinamiche di interazione tra differenti strati atmosferici. Questi modi di variabilità, che emergono come schemi ricorrenti, rappresentano una porzione significativa della varianza totale delle condizioni atmosferiche e devono mostrare robustezza attraverso vari metodi analitici.

Un esempio emblematico di tali modi è osservabile nel vento zonale invernale dell’Emisfero Nord (NH), che tende a manifestarsi in un modello a dipolo, come evidenziato nella Figura 14. Questa configurazione a dipolo illustra l’interazione complessa tra la stratosfera e la troposfera durante i mesi invernali. Nel 1990, Nigam ha esplorato questo fenomeno analizzando le Funzioni Ortogonali Empiriche Rotazionali (EOF) del vento zonale medio, identificando un modo predominante di variabilità che si presenta come un marcato dipolo nord-sud con un nodo posizionato tra i 40° e 45°N. Questo dipolo riflette variazioni significative nella forza del vortice polare, un indicatore critico delle dinamiche stratosferiche influenzate dalle condizioni della troposfera sottostante.

Approfondendo l’interazione stratosfera-troposfera, Baldwin et al., nel 1994, hanno esaminato i modelli di geopotenziale nella troposfera media e il loro collegamento con la stratosfera. Attraverso l’uso della decomposizione in valori singolari—un metodo noto anche come analisi della covarianza massima—tra il geopotenziale a 500 hPa e il vento zonale medio, hanno rilevato che il modo principale esibiva una forte firma a dipolo, estendendosi dalla superficie fino a sopra i 10 hPa. Questa modalità a dipolo nord-sud spiega una frazione sostanziale della varianza nel vento zonale, rivelata mediante diverse tecniche analitiche.

Il modo predominante di variabilità nella troposfera/stratosfera extratropicale settentrionale è caratterizzato da una struttura zonalmente simmetrica o “annulare”, come descritto da Thompson e Wallace nel 2000. Questa configurazione dipolare nel vento zonale medio è associata a una struttura ondulatoria orizzontale di anomalie geopotenziali nella troposfera. Il pattern di superficie, che somiglia all’Oscillazione Nord Atlantica, si presenta tuttavia più simmetrico in longitudine. Thompson e Wallace, nel 1998, hanno dimostrato che questo pattern di superficie corrisponde alla principale EOF della pressione media mensile a livello del mare durante l’inverno, denominata Modo Annuale Settentrionale (NAM) o Oscillazione Artica.

Il confronto tra la firma dell’OQZ, come illustrato nella Figura 31, e il NAM rivela somiglianze che suggeriscono una possibile modulazione del NAM da parte dell’OQZ. Questa ipotesi è supportata dalla consistenza dei pattern nei vari studi sui modi di variabilità dell’NH, che tendono a produrre varianti leggere del NAM, confermando la sua natura di modo dominante, robusto e ricorrente di variabilità atmosferica.

In conclusione, se l’OQZ è in grado di influenzare il NAM nella stratosfera, è plausibile aspettarsi una manifestazione corrispondente anche a livello della superficie. Tale dinamica sottolinea l’importanza di studiare approfonditamente i legami tra fenomeni stratosferici e troposferici, non solo per una migliore comprensione delle interazioni atmosferiche ma anche per le implicazioni più ampie relative alla predizione e alla gestione del cambiamento climatico a scala globale.Il Modo Anulare Settentrionale (NAM) rappresenta uno dei principali schemi di variabilità atmosferica ed è strettamente correlato ai riscaldamenti improvvisi della stratosfera, noti come stratospheric sudden warmings (SSW). Baldwin e Dunkerton (1999) hanno approfondito questo legame, evidenziando come ogni grande riscaldamento stratosferico mostri una chiara firma nell’intensità del NAM stratosferico. Tale relazione è comprensibile poiché entrambi i fenomeni sono legati alla forza del vortice polare stratosferico, che gioca un ruolo cruciale nella dinamica atmosferica delle alte latitudini.

Il vortice polare stratosferico, una struttura ciclonica caratterizzata da venti zonali intensi che circondano il polo, influenza direttamente la configurazione del NAM. Quando la forza del vortice polare stratosferico subisce variazioni significative, queste tendono a riflettersi nel comportamento del NAM a livello della superficie terrestre. Baldwin e Dunkerton hanno dimostrato che variazioni di grande portata e prolungate nella forza del vortice polare stratosferico non rimangono confinate agli strati superiori dell’atmosfera, ma si propagano gradualmente verso il basso fino alla superficie terrestre. Il tempo medio stimato per questa propagazione, dal livello di pressione di 10 hPa alla superficie, è di circa tre settimane, sebbene siano state osservate variazioni in base alla situazione meteorologica specifica.

Un elemento interessante emerso dalle loro analisi riguarda la relazione tra l’Oscillazione Quasi-Biennale (OQZ) e il NAM. L’OQZ, un fenomeno ciclico che altera il vento zonale equatoriale in stratosfera, modula in modo significativo la forza del vortice polare. Baldwin e Dunkerton hanno rilevato che il legame tra OQZ e NAM è particolarmente evidente durante il mese di dicembre, nella stratosfera centrale. Tuttavia, questo legame si indebolisce progressivamente con l’avanzare dell’inverno, suggerendo che l’influenza dell’OQZ è più pronunciata in una fase specifica della stagione fredda.

L’OQZ non è l’unico fattore che condiziona il comportamento del NAM. Piuttosto, esso rappresenta uno dei diversi meccanismi che contribuiscono a modulare la forza del vortice polare su una vasta scala verticale, dalla mesosfera inferiore fino alla superficie terrestre. Questa modulazione avviene attraverso interazioni complesse che coinvolgono la propagazione delle onde planetarie e il trasferimento di energia tra strati atmosferici. Il risultato di queste dinamiche è una struttura atmosferica altamente sensibile alle variazioni nella circolazione stratosferica, con impatti significativi sul clima e sulle condizioni meteorologiche alle alte latitudini.

Le implicazioni di queste scoperte sono particolarmente rilevanti per la comprensione dei collegamenti tra i fenomeni stratosferici e troposferici. La propagazione verso il basso delle anomalie stratosferiche e la loro influenza sulla superficie terrestre rappresentano un esempio emblematico dell’importanza delle interazioni verticali nell’atmosfera. Inoltre, il ruolo dell’OQZ come modulatore del NAM evidenzia come le variazioni cicliche in stratosfera possano avere effetti a lungo termine sul clima troposferico, migliorando così la nostra capacità di prevedere le condizioni atmosferiche su scale temporali stagionali e interannuali.

In sintesi, il lavoro di Baldwin e Dunkerton non solo mette in luce la complessità del legame tra NAM, vortice polare e OQZ, ma fornisce anche un quadro fondamentale per comprendere le interazioni verticali nell’atmosfera. Questo studio evidenzia come i cambiamenti nei sistemi atmosferici stratosferici non siano isolati, ma abbiano ripercussioni significative che si estendono fino alla superficie terrestre, influenzando sia le dinamiche meteorologiche locali sia i modelli climatici globali.

La figura presentata offre un’analisi dettagliata della distribuzione verticale delle ampiezze di varie oscillazioni atmosferiche equatoriali, che variano da componenti annue a quelle semiannuali e quasi-biennali sia nella stratosfera che nella mesosfera. Questo grafico si rivela fondamentale per comprendere la dinamica delle oscillazioni atmosferiche e il loro impatto sull’atmosfera terrestre.

Le oscillazioni rappresentate nella figura includono la Mesospheric Quasi-Biennial Oscillation (MQBO), la Mesospheric Semiannual Oscillation (MSAO), la Stratospheric Semiannual Oscillation (SSAO), la Stratospheric Quasi-Biennial Oscillation (SQBO) e una componente annuale. Queste oscillazioni sono misurate in metri al secondo (m/s) e variano in ampiezza da 0 a 40 m/s, distribuite su un intervallo di altitudine da 0 a 100 km.

1. MQBO: La MQBO, basata su osservazioni del satellite UARS/HRDI [Burrage et al., 1996], si estende principalmente oltre gli 80 km di altitudine, con un’ampiezza che si aggira tra i 20 e i 30 m/s. La sua presenza dominante in questa fascia di altitudine sottolinea l’influenza significativa delle oscillazioni quasi-biennali nella mesosfera alta.

2. MSAO: La MSAO si manifesta tra i 60 e i 90 km, raggiungendo anch’essa ampiezze tra 20 e 30 m/s. Questa oscillazione è associata alle osservazioni effettuate mediante rilascio di razzi-sonda sull’Isola di Ascension [Hirota, 1978], evidenziando una forte componente semiannuale nella mesosfera superiore.

3. SSAO: Questa oscillazione è visibile tra i 40 e i 60 km con ampiezze che variano tra i 15 e i 20 m/s. La SSAO rappresenta l’interazione tra dinamiche stratosferiche e cicli climatici semiannuali, dimostrando una variabilità significativa in questa regione dell’atmosfera.

4. SQBO: La SQBO appare distintamente tra i 16 e i 40 km di altitudine, con un picco massimo di circa 20-25 m/s a 25 km. Questa oscillazione quasi-biennale stratosferica fornisce una chiara indicazione di come i cicli quasi-biennali influenzino la parte inferiore della stratosfera.

5. Componente annuale: Infine, la componente annuale mostra un’ampiezza generalmente sotto i 10 m/s ma è presente in modo continuo lungo l’intera colonna atmosferica. I dati di riferimento provengono dal COSPAR International Reference Atmosphere (1986), indicando un impatto globale ma meno intenso rispetto ad altre oscillazioni studiate.

In sintesi, la figura fornisce una panoramica esaustiva di come varie oscillazioni influenzano diverse parti dell’atmosfera equatoriale. L’interpretazione di tali dati è cruciale per modellare i processi atmosferici e per comprendere meglio i meccanismi che regolano il clima e la meteorologia della Terra. Attraverso l’analisi di queste oscillazioni, i ricercatori possono tracciare un quadro più chiaro delle interazioni verticali nell’atmosfera, aprendo la strada a previsioni più accurate del tempo e a una migliore comprensione delle dinamiche climatiche globali.

La figura presentata rappresenta un’analisi dettagliata delle differenze nella quota geopotenziale a 1000 hPa tra le fasi di vento occidentale e orientale dell’Oscillazione Quasi-Biennale (QBO) durante i mesi invernali da dicembre a febbraio, utilizzando i dati del National Centers for Environmental Prediction per il periodo 1964-1996. Questo studio si concentra sulla manifestazione delle influenze della QBO a livello della troposfera, evidenziando come le dinamiche stratosferiche possano impattare fenomeni meteorologici a quote inferiori.

Il composito della quota geopotenziale è visualizzato mediante una proiezione polare che copre ampie parti dell’emisfero settentrionale, facilitando l’osservazione diretta delle variazioni climatiche in aree geografiche rilevanti. Le linee di contorno sulla mappa, espresse in metri, delineano le variazioni della pressione atmosferica a 1000 hPa. Queste linee di contorno sono particolarmente dense in alcune aree, indicando regioni di significativa differenza di altezza geopotenziale tra le fasi occidentali e orientali della QBO.

Le zone dove le linee di contorno si avvicinano o si sovrappongono rappresentano aree di alta variabilità meteorologica, che possono essere collegate a condizioni climatiche intensificate o instabili durante l’inverno. Questo fenomeno suggerisce che la QBO non solo agisce nella stratosfera ma ha anche un’influenza pronunciata sui pattern meteorologici della troposfera. La differenziazione tra le fasi occidentali e orientali della QBO mostra come variazioni in altezza possono implicare cambiamenti sostanziali nel comportamento atmosferico a livelli più bassi.

La mappa fornisce quindi un’importante testimonianza visiva di come i processi dinamici che si verificano nella stratosfera influenzino la circolazione atmosferica e il clima nella troposfera. In particolare, le fluttuazioni della QBO sono correlate a cambiamenti nei modelli di pressione a livello del suolo, che possono alterare le traiettorie delle correnti a getto e modificare le condizioni climatiche regionali. Questa analisi sottolinea l’importanza della QBO come fattore modulante nei modelli climatici e meteorologici, enfatizzando la necessità di integrare tali dinamiche nei sistemi di previsione a lungo termine per migliorare l’accuratezza delle previsioni meteorologiche e climatiche.

In conclusione, la figura esemplifica in modo efficace l’impatto trasversale della QBO sui pattern climatici dell’emisfero settentrionale, offrendo spunti cruciali per ulteriori studi sulle interazioni stratosfera-troposfera e il loro ruolo nel modellare i fenomeni meteorologici a scala globale. Questo tipo di analisi avanzata aiuta i ricercatori e i meteorologi a comprendere meglio le complesse interazioni che governano il sistema climatico terrestre, contribuendo a una migliore gestione delle risorse e alla pianificazione in risposta ai cambiamenti climatici.

6.3. Impatti dell’Oscillazione Quasi-Biennale sulla Troposfera Tropicale

Considerando che l’Oscillazione Quasi-Biennale (OQZ) manifesta la sua ampiezza massima all’equatore, è ragionevole indagare se e come questa oscillazione influenzi la troposfera tropicale sottostante. In questa analisi, è fondamentale considerare due aspetti principali.

In primo luogo, è importante notare che le anomalie di vento zonale e di temperatura associate all’OQZ non penetrano significativamente al di sotto della tropopausa. In particolare, l’effetto della temperatura legata all’OQZ presso la tropopausa è minimo se confrontato con il ciclo annuale, suggerendo che l’impatto diretto di queste variazioni stratosferiche sulla parte inferiore dell’atmosfera è limitato.

In secondo luogo, la troposfera tropicale è caratterizzata da una propria oscillazione quasi-biennale, che appare non correlata con l’OQZ stratosferica. Questa oscillazione troposferica, come documentato in studi diversi [Yasunari, 1985; Gutzler e Harrison, 1987; Kawamura, 1988; Lau e Sheu, 1988; Moron et al., 1995; Shen e Lau, 1995], è irregolare nel tempo, asimmetrica in longitudine e si propaga lentamente verso est, con la maggiore ampiezza vicino all’Indonesia.

Sebbene Yasunari [1989] abbia ipotizzato una possibile coerenza tra l’oscillazione troposferica e quella stratosferica, le evidenze successive e gli studi di altri ricercatori tendono a confutare tale ipotesi. Ad esempio, l’analisi dei venti troposferici superiori filtrati biennalmente attraverso il grafico di Hovmoller rivela variazioni irregolari in longitudine e nel tempo, mostrando due oscillazioni apparentemente distinte nei settori del Pacifico e dell’Atlantico, nessuna delle quali correla in modo significativo con l’OQZ stratosferica.

A partire da un record di dati più esteso, alcuni autori [Barnett, 1991; Xu, 1992] hanno concluso che le OQZ stratosferiche e troposferiche sono fenomeni completamente indipendenti. Questa mancanza di una relazione di fase coerente tra le OQZ troposferiche e stratosferiche su più decenni evidenzia quanto siano diverse le loro morfologie, rendendo difficile identificare una connessione diretta.

Tuttavia, potrebbe esistere una relazione più sottile, forse non lineare o multivariata, tra questi fenomeni. Vi sono indicazioni che gli eventi caldi di ENSO possano intensificare la velocità di discesa dell’OQZ occidentale [Maruyama e Tsuneoka, 1988], un effetto dinamicamente plausibile [Dunkerton, 1990; Geller et al., 1997] ma che non si traduce in una correlazione lineare. In modo analogo, l’OQZ stratosferica potrebbe influenzare la troposfera sottostante, con effetti che si mescolano a quelli di altri fenomeni o che si manifestano solo in specifici momenti e luoghi.

Uno dei collegamenti più promettenti tra l’OQZ stratosferica e la troposfera tropicale è stato riscontrato nelle variazioni interannuali dell’attività degli uragani atlantici [Gray, 1984a, 1984b; Shapiro, 1989; Hess e Elsner, 1994; Landsea et al., 1998; Elsner et al., 1999]. Gli uragani intensi nell’Atlantico tropicale sono significativamente più frequenti nelle stagioni in cui l’OQZ sovrastante è occidentale o sta diventando occidentale a circa 50 hPa. Il contrario si verifica nella fase opposta dell’OQZ. L’OQZ stratosferica rimane uno dei diversi predittori utilizzati nelle previsioni stagionali di attività uragana da parte di W. Gray e dei suoi collaboratori della Colorado State University (http://typhoon.atmos.colostate.edu/forecasts/), dimostrando l’importanza di considerare questo fenomeno nei modelli previsionali.

L’influenza dell’Oscillazione Quasi-Biennale (OQZ) sui sistemi meteorologici globali, in particolare sui tifoni del Pacifico occidentale, rimane oggetto di indagine e dibattito nella comunità scientifica. Studi precedenti, come quelli di Chan (1995), Baik e Paek (1998), e Lander e Guard (1998), hanno esaminato questa dinamica, rilevando che la formazione degli uragani presenta caratteristiche distintive tra l’Atlantico e il Pacifico, suggerendo differenze regionali significative nelle risposte meteorologiche all’OQZ.

Nonostante le numerose indagini, una spiegazione convincente dell’effetto dell’OQZ sull’attività degli uragani continua a mancare. Ricerche condotte da Gray et al. (1992a, 1992b) hanno evidenziato l’importanza dello shear del vento verticale nella bassa stratosfera nel modulare la convezione penetrante associata a tempeste intense, mentre altri studi come quello di Knaff (1993) hanno focalizzato sull’influenza dell’OQZ sulla stabilità statica stratosferica bassa. Inoltre, Shapiro (1989) ha esplorato l’impatto dei venti dell’OQZ sulla posizione dei livelli critici per le onde easterly tropicali, suggerendo che l’OQZ potrebbe modulare dinamiche atmosferiche complesse che influenzano direttamente l’attività ciclonica.

L’ipotesi che l’OQZ stratosferica influenzi direttamente l’attività degli uragani atlantici è supportata da analisi di regressione multipla, in cui i predittori sono selezionati basandosi su esperienze passate. Tuttavia, Shapiro (1989) osserva che altri tipi di variabilità quasi-biennale potrebbero spiegare in modo altrettanto efficace il legame con gli uragani atlantici, un’area che necessita di ulteriori ricerche.

Interessanti sono anche le scoperte di Chao (1989), che hanno collegato l’OQZ stratosferica con variazioni interannuali nella durata del giorno terrestre, coerenti con il momento angolare dell’OQZ. Questi risultati sottolineano un collegamento profondo tra il momento angolare atmosferico e la rotazione terrestre, sebbene il meccanismo preciso rimanga poco chiaro. Del Rio e Cazenave (1994) hanno discusso possibili effetti sull’oscillazione polare, mentre Fontaine et al. (1995) hanno identificato legami tra l’OQZ stratosferica e i regimi di precipitazione in Africa occidentale.

Inoltre, Collimore et al. (1998) hanno mostrato una correlazione, sebbene non perfetta, tra l’OQZ e l’attività convettiva profonda in aree di forte convezione. Allo stesso modo, Hamilton (1983) ha identificato una variabilità quasi-biennale nell’ampiezza dell’oscillazione semidiurna della pressione superficiale, dimostrando l’ampio spettro di influenze che l’OQZ può avere sui fenomeni meteorologici minori.

Questi risultati, insieme ad altre evidenze pubblicate e non, motivano ulteriori studi sull’effetto dell’OQZ sulla troposfera tropicale e sottolineano la necessità di simulare adeguatamente l’OQZ nei modelli atmosferici tropicali per migliorare la comprensione e la previsione dei fenomeni meteorologici su scala globale. La complessità delle interazioni tra l’OQZ stratosferica e i vari aspetti del sistema climatico terrestre rimane un campo fertile per la ricerca futura, con implicazioni significative per la meteorologia e la climatologia.

7. Conclusioni

Nel 1967, Reed rifletté sulla recente scoperta dell’Oscillazione Quasi-Biennale (OQZ), suggerendo che potrebbe essere presto trovata una spiegazione semplice per quello che allora appariva come un mistero intrigante, relegando il fenomeno alla categoria di una curiosità meteorologica. Alternativamente, propose che l’OQZ potesse rivelarsi di maggiore importanza di quanto inizialmente supposto, sia per proprietà intrinseche sia per l’impatto su altri ambiti di ricerca correlati. Con il vantaggio di oltre tre decenni di studi dedicati all’OQZ, possiamo ora affermare con certezza che questo fenomeno è molto più di un’anomalia meteorologica. Questa rassegna ha dimostrato che l’OQZ ha un ruolo significativamente più esteso di quanto immaginato negli anni ’60, sia per le sue caratteristiche fondamentali di fluidodinamica sia per la sua rilevanza nelle questioni di chimica atmosferica globale e cambiamento climatico.

L’OQZ è emblematica del ruolo delle interazioni tra onde e flusso medio nella dinamica dei fluidi di un’atmosfera stratificata rotante. Come McIntyre ha brillantemente argomentato nel 1993, la peculiarità di un’atmosfera stratificata rotante risiede nell’ubiquità dei moti ondosi e nel fatto che la propagazione e la rifrazione delle onde sono generalmente accompagnate dal trasporto di momento angolare. Senza il trasferimento di momento dovuto alla propagazione e rifrazione delle onde, l’OQZ non potrebbe esistere. La dipendenza della rifrazione delle onde dal flusso medio fornisce il meccanismo attraverso il quale i flussi di momento indotti dalle onde nella stratosfera equatoriale possono influenzare retroattivamente il flusso medio. Nell’OQZ, non solo le onde oscillanti interagiscono con il flusso medio per produrre una rettificazione del flusso, ma il flusso rettificato stesso oscilla con un periodo completamente diverso da quello delle onde che lo guidano.

Oltre a consolidarsi come un fenomeno persistente nella circolazione della stratosfera equatoriale, come dimostrato dalla Tavola 1, l’OQZ è stata osservata in 20 cicli completi con evidenze indirette che suggeriscono la sua esistenza per almeno 120 anni, basandosi sullo studio delle variazioni a lungo termine del segnale di marea semidiurna solare nella pressione superficiale nelle stazioni equatoriali, sensibili ai venti zonali nella stratosfera [Hamilton, 1983; Teitelbaum et al., 1995].

La natura robusta dell’OQZ implica che fenomeni simili possano essere presenti su altri pianeti con atmosfere stratificate rotanti e zone di convezione equatoriale. In effetti, un’oscillazione analoga, l’oscillazione quasi quadriennale (QQO), è stata documentata nell’atmosfera equatoriale di Giove [Leovy et al., 1991; Friedson, 1999]. L’osservazione che la scala meridionale del QQO su Giove sia circa la metà di quella dell’OQZ terrestre è coerente con la scala di transizione discussa, assumendo una scala verticale di forzamento di 12 km anziché i 4 km appropriati per l’OQZ terrestre. Questi studi suggeriscono ulteriori indagini per esplorare se oscillazioni simili possano verificarsi anche nell’interno solare, come suggerito da McIntyre [1994].

In sintesi, dopo decenni di ricerca, l’OQZ è emersa non solo come un fenomeno di interesse accademico limitato, ma come un elemento critico nella comprensione della dinamica atmosferica globale, con implicazioni dirette per la modellazione del clima e la meteorologia. La continuità di studi sull’OQZ è quindi essenziale per approfondire la nostra comprensione degli intricati meccanismi che governano l’atmosfera del nostro pianeta e potenzialmente di altri mondi.

Implicazioni Estese dell’Oscillazione Quasi-Biennale per la Ricerca Climatologica e Meteorologica

La proposta di Reed nel 1967 di possibili implicazioni più ampie dell’Oscillazione Quasi-Biennale (OQZ) per altre aree della ricerca si è rivelata preveggente. Come approfondito nella sezione 6.2, l’influenza dell’OQZ sulle variazioni climatiche interannuali, sia nella troposfera che nella stratosfera extratropicale, costituisce oggi uno dei principali temi di interesse scientifico. L’analisi delle tendenze e della variabilità dell’ozono atmosferico, in particolare, necessita di una valutazione accurata degli effetti diretti e indiretti dell’OQZ equatoriale sullo strato di ozono, come discusso nella sezione 5. Pertanto, è essenziale che i modelli di variabilità climatica interannuale e di chimica stratosferica globale integrino gli effetti dell’OQZ, sia attraverso rappresentazioni esplicite sia mediante opportune parametrizzazioni.

Nonostante l’importanza crescente dell’OQZ nel contesto della modellistica climatica e atmosferica, la simulazione di questo fenomeno rappresenta ancora una sfida significativa per i modelli di circolazione generale. Questi modelli sono fondamentali per la previsione dei trend climatici e delle variazioni legate alle modifiche antropogeniche delle concentrazioni di gas serra. Tuttavia, come esaminato nella sezione 3.3.2, molti modelli non riescono a generare un’OQZ realistica in maniera spontanea. Ciò solleva preoccupazioni sull’accuratezza dei modelli, dato che l’atmosfera terrestre non mostra difficoltà simili. Alcuni potrebbero argomentare che l’assenza di un fenomeno dinamico globale così marcato nei modelli evidenzi una distanza significativa dalla realtà fisica. Più accuratamente, si potrebbe affermare che l’OQZ impone requisiti stringenti sui modelli numerici, richiedendo metodologie di calcolo precise, risoluzioni spaziali elevate e bassa diffusione numerica. È chiara anche la necessità di una parametrizzazione accurata dei flussi di momento a scala subgrid, per riflettere fedelmente le dinamiche atmosferiche osservate.

La letteratura suggerisce che le onde di gravità generate dalla convezione equatoriale siano cruciali per l’attivazione dell’OQZ. Di conseguenza, una modellazione più accurata della dinamica dei sistemi convettivi mesoscalari e delle onde tropicali sinottiche, entro cui tali sistemi sono incastonati, è indispensabile. Solo migliorando questi aspetti, i modelli di circolazione generale (GCM) potranno riprodurre regolarmente le complesse interazioni di feedback tra onde e flusso medio che caratterizzano l’OQZ equatoriale.

In sintesi, la ricerca sull’OQZ non solo ha confermato la sua rilevanza ben oltre la semplice curiosità meteorologica, ma ha anche sottolineato la sua centralità nei processi dinamici globali dell’atmosfera terrestre. Questa comprensione approfondita stimola ulteriori studi e sottolinea l’importanza di simulare accuratamente l’OQZ nei modelli climatici per migliorare le previsioni e comprendere più a fondo le interazioni atmosferiche su scala globale.

GLOSSARIO DI TERMINI METEOROLOGICI E CLIMATOLOGICI

Piano b (b-plane): Questa è un’approssimazione del parametro di Coriolis, denotata come f = f₀ + by, dove beta è una costante. Il parametro di Coriolis, in questo contesto, è assunto variare linearmente nella direzione nord-sud, facilitando calcoli e modellazioni in ambiti specifici.

Limite di Boussinesq: Nelle analisi fluidodinamiche, questo limite rappresenta una semplificazione dove la densità è considerata costante tranne che nel termine di galleggiamento dell’equazione del momento verticale, dove è accoppiata alla gravità. Questo approccio è particolarmente utile in studi di fluidi geofisici dove le variazioni di densità sono piccole ma non trascurabili.

Parametro di Coriolis f: Definito come 2Ω sin φ, dove Ω rappresenta la velocità di rotazione della Terra e φ la latitudine. Questo parametro è cruciale nella dinamica dei fluidi rotanti come l’atmosfera terrestre, influenzando la traiettoria dei venti e delle correnti oceaniche.

Livello o linea critica: Questo termine si riferisce alla posizione in un flusso di fondo dove la velocità di fase di un’onda, nella direzione del flusso, eguaglia la velocità del flusso stesso. A queste altitudini, le onde tendono a dissiparsi o rompersi, un fenomeno importante per la comprensione della dinamica delle onde atmosferiche e oceaniche.

Orientamento easterly (da est) e eastward (verso est): Indicano rispettivamente l’origine e la direzione di un movimento o flusso dall’est.

Flusso di Eliassen-Palm (EP flux): Misura la propagazione dell’attività ondulatoria nel piano latitudine-altezza, essenziale per comprendere come le onde atmosferiche interagiscano con il flusso medio zonale. La convergenza di questo flusso indica la forza esercitata dalle onde sulla configurazione del vento zonale.

Onde di gravità e onde di inerzia-gravità: Le prime sono oscillazioni ad alta frequenza e corta scala orizzontale che si verificano in un fluido stratificato stabilmente quando pacchi d’aria sono spostati verticalmente. Le seconde sono versioni a bassa frequenza delle onde di gravità, influenzate sostanzialmente dalla forza di Coriolis.

Onde di Kelvin: Specifiche dell’equatore, queste onde si propagano verso est con componenti meridionali trascurabili e una struttura gaussiana in latitudine nelle variabili di velocità zonale, geopotenziale e temperatura, simmetriche rispetto all’equatore.

Altezza di log-pressione e piano meridionale: La prima è una coordinata verticale proporzionale al logaritmo della pressione, approssimativamente equivalente all’altezza fisica. Il secondo termine descrive il piano latitudine-altezza, utile per l’analisi della circolazione atmosferica.

Fasi dell’OQZ e onde a scala planetaria: Le fasi dell’OQZ possono essere easterly o westerly, determinate dai venti equatoriali a un livello specifico. Le onde a scala planetaria, come le onde di Rossby o di Kelvin, sono disturbi a basso numero zonale che giocano un ruolo chiave nella dinamica climatica globale.

Rottura delle onde planetarie e zona di surf: La rottura delle onde planetarie si verifica quando le onde di Rossby nella stratosfera invernale deformano significativamente i contorni della vorticità potenziale, un processo noto come “surf stratosferico”. Questi eventi sono cruciali per la miscelazione di scala larga della vorticità e altre proprietà atmosferiche.

Onde di Rossby e onde di Rossby-gravità: Queste onde devono la loro esistenza ai gradienti latitudinali di vorticità potenziale, che forniscono un meccanismo di ristoro per la loro propagazione. Le onde di Rossby-gravità si propagano verso ovest e hanno una struttura gaussiana simmetrica rispetto all’equatore in velocità meridionale.

Oscillazione semiannuale e guida d’onda: L’oscillazione semiannuale ha un periodo di circa sei mesi e la guida d’onda è una regione in cui le onde si propagano, confinate spazialmente da confini riflettenti o punti di svolta interni, simile alla propagazione della luce in un mezzo con indice di rifrazione variabile.

Direzioni westerly (da ovest) e westward (verso ovest), e definizione zonale: Indicano rispettivamente l’origine e la direzione di un movimento o flusso dall’ovest. Zonale si riferisce alla direzione longitudinale, e il vento zonale è positivo quando proviene da ovest.

https://www.gfdl.noaa.gov/bibliography/related_files/baldwin0101.pdf