Effetti Modulatori dell’Onda Planetaria 3 su un Evento di Riscaldamento Stratosferico Improvviso nel 2005

Abstract

Utilizzando i dati ERA-Interim, sono stati calcolati il flusso di Eliassen-Palm (EPF) e il flusso di attività ondulatoria di Plumb (WAF) per esaminare l’effetto dell’onda planetaria 3 durante un evento di riscaldamento stratosferico improvviso verificatosi dal 17 febbraio al 15 marzo 2005 (SSW05). L’analisi ha rivelato che: 1) SSW05 si è articolato in tre fasi distinte: un riscaldamento minore iniziale (MnW05), un riscaldamento finale più intenso (FW05) e un periodo di stallo del riscaldamento tra MnW05 e FW05; 2) inizialmente, l’onda 3 ha ridotto i flussi di EPF totali verso l’alto di oltre il 30% a 100 hPa, causando il periodo di stallo, e successivamente ha incrementato questi flussi di oltre il 50%, culminando in FW05; 3) le variazioni nei flussi di attività dell’onda 3 sono state correlate con il modello dell’alta pressione atlantica bloccante nelle ultime due fasi. Le interazioni tra l’onda 3 e l’onda 1 hanno diviso il canale zonale ascendente dei flussi di attività ondulatoria complessivi, separando una regione longitudinale in due, influenzando così significativamente SSW05.

1. Introduzione Il riscaldamento stratosferico improvviso (SSW) rappresenta una tipica interazione tra troposfera e stratosfero nei mesi invernali, come evidenziato in studi fondamentali di Charney e Drazin nel 1961 e di Charlton e Polvani nel 2007. Dall’istituzione del primo modello dinamico di SSW da parte di Matsuno nel 1971, ricerche successive hanno evidenziato come questi eventi siano strettamente legati alla propagazione verso l’alto delle onde planetarie (PWs), in particolare le onde 1 e 2, dalla troposfera allo stratosfero, come dimostrato in studi di Nishii et al. nel 2011 e di Solomon nel 2014. Durante l’inverno boreale, il contrasto termico tra terra e mare e l’intensa forzatura topografica facilitano la propagazione verticale delle PWs in presenza di correnti zonali occidentali, secondo quanto osservato da Charney e Drazin nel 1961 e da Andrews et al. nel 1987. In base a questa teoria, le PWs 1 e 2 riescono a penetrare nello stratosfero, mentre onde di scala minore rimangono generalmente confinate vicino alla tropopausa. L’onda 3, che si propaga nel basso stratosfero, è quindi meno frequente (Lu e Ding, 2013).

Le PWs 1 e 2 possono estendersi fino a livelli più elevati, provocando la divisione o lo spostamento del vortice stratosferico. Tipicamente, gli SSW caratterizzati dalla divisione del vortice sono associati a un’intensificazione dell’onda 2, mentre quelli con spostamento del vortice sono influenzati dall’onda 1, come descritto da Charlton e Polvani nel 2007. Eventi SSW maggiori causati dall’onda 3 sono rari (Bancalá et al., 2012). La letteratura predominante riporta che la maggior parte degli SSW è guidata dalle onde 1 e 2, come evidenziato in studi di Mukougawa e Hirooka nel 2004, Hirooka et al. nel 2007 e Vargin nel 2015 per l’onda 1, e di Palmer nel 1981 e Harada et al. nel 2010 per l’onda 2. Gli SSW attribuiti all’onda 3 sono invece meno documentati.

Nonostante ciò, diversi studi hanno registrato segnali dell’onda 3 nella troposfera durante gli SSW, senza però chiarire il meccanismo con cui questa onda influisce dall’alto verso il basso dalla troposfera allo stratosfero. Limpasuvan et al. nel 2004 hanno osservato anomalie nel flusso di momento associato all’onda 3 vicino alla tropopausa in alcuni SSW, mentre Song e Robinson nel 2004 hanno notato che l’onda 3 contribuisce significativamente alla decelerazione dei venti zonali nell’alta troposfera delle alte latitudini. Nonostante questi approfondimenti, il modo in cui l’onda 3 influisce sui flussi complessivi di attività ondulatoria nello stratosfero durante gli SSW rimane poco chiaro.

Alcuni studi (Quiroz 1986; Kodera e Chiba 1995; Martius et al. 2009; Colucci e Kelleher 2015) hanno scoperto che i riscaldamenti stratosferici improvvisi (SSW) sono spesso accompagnati da alte pressioni bloccanti (BH). In particolare, l’alta pressione bloccante dell’Atlantico (ABH) sembra potenziare la propagazione verso l’alto delle onde planetarie (Nishii et al. 2011; Kodera et al. 2013; Davini et al. 2014; Vargin 2015), portando frequentemente allo sviluppo di un significativo SSW dell’onda 1 (Martius et al. 2009; Bancalá et al. 2012; Ayarzagüena et al. 2015). Tuttavia, non esiste una correlazione statistica marcata tra gli SSW e le BH (Taguchi 2008; Woollings et al. 2010). Alcune BH si manifestano prima degli SSW, mentre molte altre seguono gli SSW o sono associate ad anomalie del flusso zonale medio nella stratosfera. Limpasuvan et al. (2004) hanno osservato che l’ABH tende a indebolirsi notevolmente, o addirittura a scomparire, durante gli SSW se l’onda 3 non viene considerata nel modello.

Un SSW maggiore si verifica quando la temperatura media a 10 hPa o al di sotto aumenta verso il polo a partire dal 60°N e i venti zonali occidentali si invertono, diventando orientali durante l’inverno (Andrews et al. 1987). Se i venti occidentali rallentano solamente e non si invertono completamente in orientali durante un significativo riscaldamento (ad esempio, un aumento di almeno 25 K in meno di una settimana), l’evento è classificato come SSW minore. Il riscaldamento finale stratosferico (SFW) designa un tipo speciale di SSW maggiore, in cui il flusso zonale medio occidentale cambia in orientale e questa condizione persiste per almeno 10 giorni consecutivi (Charlton e Polvani 2007). Il SFW si verifica solitamente in aprile. Tuttavia, nei SSW maggiori tipici, il flusso occidentale può tornare rapidamente dallo stato orientale in pochi giorni. Nonostante ciò, la circolazione di fondo e l’attività delle onde stratosferiche rimangono simili sia durante il SFW sia durante gli SSW (Black e McDaniel 2007). Durante il SFW, le anomalie della circolazione troposferica tendono a spostarsi verso il polo, e le onde 1 e 2 sono le più dominanti (Black e McDaniel 2007; Hu et al. 2014, 2015). Inoltre, i SFW sono principalmente dominati dall’onda 1 a marzo e dall’onda 2 ad aprile (Ayarzagüena e Serrano 2009).

A seconda dei dataset utilizzati e dei livelli di pressione selezionati, è possibile confondere i riscaldamenti finali stratosferici (SFW) con i grandi SSW. Ad esempio, gli eventi di riscaldamento avvenuti a marzo 1988 e febbraio 1989 sono stati definiti come SFW nelle statistiche sulla temperatura del Polo Nord di Labitzke et al. (2002), ma sono stati descritti come grandi SSW da Charlton e Polvani (2007). Analogamente, il SFW di marzo 2005, documentato da Singleton et al. (2007) e Manson et al. (2008), è stato classificato come SSW da Harada et al. (2010). Questi SFW si sono verificati durante le prime fasi della transizione stagionale e hanno presentato una circolazione di fondo e un’attività delle onde stratosferiche simili a quelle degli eventi SSW maggiori invernali (Hu et al. 2014, 2015).

Il riscaldamento stratosferico di marzo 2005, che include due eventi dal 17 febbraio al 15 marzo 2005 (indicati collettivamente come SSW05) e caratterizzati dalla predominanza delle onde 3 e 1 [l’unico evento dell’onda 3 menzionato nella Tabella 1 di Harada et al. (2010)], rappresenta una preziosa occasione per ampliare la nostra comprensione dell’effetto dell’onda 3, solitamente confinata vicino alla tropopausa, sul riscaldamento stratosferico. In particolare, poniamo l’accento sugli effetti modulatori dell’onda 3 sui flussi di attività delle onde 1 e 2 nella stratosfera durante l’SSW05.

2. Dati e Metodi I dati utilizzati in questo studio provengono dal dataset giornaliero globale ERA-Interim, con una risoluzione orizzontale di 1,5° x 1,5°, elaborato dal Centro Europeo per le Previsioni Meteorologiche a Medio Termine (ECMWF) (Dee et al. 2011). Il flusso di Eliassen-Palm (EPF) è considerato un metodo diagnostico standard per analizzare la propagazione delle onde atmosferiche in un piano meridionale bidimensionale, come descritto da Edmon et al. (1980) e Andrews et al. (1987). In forma vettoriale, l’EPF quasi-geotropico (QG) rappresenta la velocità di gruppo delle onde lineari QG nel piano meridionale-pressione. Le componenti orizzontali e verticali dell’EPF sono proporzionali, rispettivamente, al flusso di quantità di moto delle eddies e al flusso di calore delle eddies.

La divergenza dell’EPF è definita attraverso un’equazione che rappresenta l’accelerazione dei venti occidentali. Durante gli eventi di riscaldamento stratosferico improvviso (SSW), una marcata decelerazione dei venti occidentali è frequentemente associata a una forte convergenza dell’EPF, e il contributo di altri fattori risulta essere trascurabile, come spiegato nel sesto capitolo dell’opera di Andrews et al. (1987).

Plumb (1985) ha definito il flusso di attività ondulatoria (WAF) per indicare la propagazione dei pacchetti di onde planetarie (PW) nello spazio tridimensionale. La formula del WAF considera vari fattori tra cui la pressione di riferimento standard, la stabilità statica e le coordinate verticali logaritmiche basate su una quota di scala. Inoltre, i venti geostrofici, componenti fondamentali dell’equazione, sono descritti attraverso la velocità zonale e la velocità meridionale.

Il blocco regionale è stato analizzato utilizzando l’indice di blocco regionale definito da Tibaldi e Molteni (1990), e le altezze geopotenziali a 500 hPa nel sud e nel nord sono state calcolate per ogni longitudine ogni giorno. Questi indici possono indicare la forza del blocco regionale se sono soddisfatte determinate condizioni in almeno una configurazione di longitudine.

Nel contesto di queste equazioni, i termini u e y rappresentano il vento zonale e il vento meridionale; V, a, f, F, Z, f, e l rappresentano rispettivamente la velocità di rotazione della Terra, il raggio della Terra, il parametro di Coriolis, il geopotenziale, l’altezza geopotenziale, la latitudine e la longitudine; up è la derivata parziale della temperatura potenziale rispetto alla pressione; e y* e « rappresentano rispettivamente la velocità meridionale della “circolazione meridionale residua” e la frizione media euleriana. Le medie zonali e le deviazioni sono indicate rispettivamente con overbar e primi. Da ora in poi, le componenti verticali di EPF e WAF sono abbreviate come EPFz e WAFz, rispettivamente.

3. Risultati

a. Evoluzione Strutturale della Temperatura e del Vento Zonale nel SSW05

Durante il periodo dal 17 febbraio al 15 marzo 2005 si è verificato un evento speciale di riscaldamento stratosferico improvviso (SSW05) vicino al Polo Nord, caratterizzato da diverse fasi distintive. La prima fase, nota come MnW05, si è svolta dal 17 al 24 febbraio 2005 e è stata seguita da una fase di riscaldamento finale stratosferico (FW05) che si è estesa dal 7 al 15 marzo 2005, secondo le definizioni di SSW di Andrews et al. (1987) e Charlton e Polvani (2007). Tra queste due fasi si è inserito un periodo di stallo del riscaldamento.

L’area di riscaldamento durante la fase FW05 era notevolmente più estesa e si prolungava più a sud rispetto alla fase MnW05, arrivando fino a circa 55°N. Dopo una marcata riduzione della velocità del vento zonale medio stratosferico iniziata il 17 febbraio, i venti zonali hanno registrato un aumento di velocità a partire dal 1° marzo. Questa tendenza si è invertita nuovamente dopo il 7 marzo, con un rapido declino del vento zonale alle alte latitudini, che, dopo il 12 marzo, si è trasformato da un flusso occidentale a un flusso orientale, estendendosi dal Polo Nord fino ai 50°N.

Come illustrato nella Figura 1b, durante la MnW05 si è osservato un rapido aumento della temperatura nella stratosfera superiore, con i contorni dei 220 K che si sono abbassati fino a 20 hPa. Nel periodo intermedio tra MnW05 e FW05, i contorni dei 220 K si sono stabilizzati intorno ai 20 hPa e vi è stata una parziale ripresa dei venti occidentali nella stratosfera media, che ha portato a una fase di stallo nel riscaldamento. Infine, durante la FW05, si è verificato un marcato aumento della temperatura nella stratosfera media, con i contorni dei 220 K che hanno raggiunto la stratosfera inferiore e un corrispondente e rapido cambiamento del vento zonale da occidentale a orientale in tutta la stratosfera.

b. Il Ruolo delle Onde 1-3 e dell’ABH nel SSW05

Nell’SSW05 del 2005, l’onda 3 ha avuto un ruolo significativo, divergendo dalla norma in cui gli SSW sono generalmente dominati dalle onde 1 e 2. Tipicamente, per analizzare il rapporto tra le onde planetarie e gli SSW, si utilizza l’EPFz medio tra i 50°N e i 70°N a 100 hPa. Il picco dell’EPFz dell’onda 3 è risultato strettamente correlato con l’alta pressione bloccante atlantica (ABH), mostrando il suo valore minimo durante la fase di forte ABH vicino al meridiano 0°. Quando l’ABH ha recuperato una forza moderata e si è spostata verso ovest, l’EPFz dell’onda 3 ha raggiunto il suo massimo. Nei periodi tra questi picchi estremi, l’ABH risultava generalmente debole.

Di solito, il sistema europeo di depressioni e creste atlantiche è il meno marcato tra i modelli di depressioni e creste nella troposfera boreale invernale, il che suggerisce una generale debolezza dell’onda 3. In effetti, l’ABH è comunemente una manifestazione di questa onda. L’EPFz dell’onda 3 a 100 hPa non corrispondeva strettamente con l’indice ABH a 500 hPa a causa della diversa selezione dei livelli di pressione nelle latitudini medie barocline. La percentuale di contribuzione dell’EPFz dell’onda 3, calcolata come la percentuale dell’EPF dell’onda 3 sul totale degli EPFz, variava tra il 35% e il 55% nelle fasi avanzate del SSW05.

Durante l’intero periodo di osservazione, dal 1 febbraio al 13 aprile 2005, l’EPFz dell’onda 1 era predominante e diretto verso l’alto. Tuttavia, dopo il 24 febbraio, l’EPFz dell’onda 3 ha subito una rapida diminuzione, assumendo valori negativi, che indicano un flusso di attività ondulatoria diretto verso il basso, e si è notevolmente ridotto entro il 28 febbraio. Tra il 26 febbraio e il 1 marzo, il flusso dell’onda 3 era costantemente negativo e la sua percentuale sul totale degli EPFz superava spesso il 30%. Generalmente, l’EPFz a 100 hPa raggiunge i suoi valori estremi prima che si manifesti una risposta significativa nello stratosfero.

L’effetto anomalo del flusso di EPFz dell’onda 3 verso il basso ha avuto l’effetto di ridurre complessivamente il flusso di EPFz verso l’alto a 100 hPa, causando una stagnazione nel riscaldamento stratosferico, come evidenziato nella Figura 1b. Questo ha limitato il riscaldamento alla sola intensità di un riscaldamento minore. Successivamente, il flusso di EPFz dell’onda 3 è diventato positivo, ossia diretto verso l’alto. Intorno al 12 marzo, la quota di contributo dell’EPFz dell’onda 3 ha superato il 50%, eccedendo quella dell’EPFz dell’onda 1, il che ha provocato un significativo aumento del flusso di attività ondulatoria verso l’alto, innescando l’avvio di FW05. Di conseguenza, il vento zonale stratosferico si è invertito, orientandosi verso est, come mostrato nelle Figure 1a e 1b. Dopo FW05, l’EPFz dell’onda 3 è diminuito rapidamente, prima del declino dell’EPFz dell’onda 1. Pertanto, il SSW05 è stato dominato principalmente dalle onde 3 e 1. Inizialmente, l’onda 3 ha frenato lo sviluppo della fase iniziale (MnW05), per poi amplificarne notevolmente quella finale (FW05).

Inoltre, la propagazione verticale dell’onda 3 si è manifestata confrontando l’EPFz solo delle onde 1-2 con quello complessivo delle onde 1-3, come illustrato nella Figura 2. All’inizio di MnW05, l’onda 3 ha avuto un ruolo marginale nella stratosfera, ma ha esercitato un impatto sulla stratosfera inferiore nelle fasi successive. Nei primi giorni di MnW05 (17-19 febbraio), gli EPF delle onde 1 e 2 e quelli comprensivi dell’onda 3 erano simili, indicando che l’onda 3 poteva essere trascurata nella stratosfera, come dimostrato anche nella Figura 1c. Gli EPF e la convergenza degli EPF nella stratosfera superiore durante MnW05 erano più forti rispetto alle fasi successive, grazie alle onde che si propagavano verso l’alto lungo l’asse favorevole del getto di venti occidentali, sebbene con velocità inferiori a quelle considerate critiche per le onde secondo la teoria di Rossby.

Durante la fase iniziale di stallo del riscaldamento, dal 26 al 28 febbraio, i venti occidentali nella stratosfera extratropicale hanno rallentato e i flussi ascendenti combinati delle onde 1-3 sono risultati meno intensi rispetto a quelli delle onde 1 e 2 nella stratosfera inferiore. Guardando alle aree delineate dai contorni di decelerazione, le regioni di convergenza dell’EPF si estendevano dalle regioni polari fino alle medie latitudini (circa 45°N) nella stratosfera media e inferiore. Invece, queste aree occupavano solamente una parte della regione polare nella stratosfera media e inferiore. Il flusso dell’onda 3 verso il basso e la sua divergenza nella stratosfera inferiore extratropicale hanno ridotto i flussi totali di attività ondulatoria verso l’alto e hanno inibito la decelerazione del getto notturno polare, limitando così lo sviluppo del MnW05. Tuttavia, tra l’11 e il 13 marzo, i flussi ascendenti delle onde 1-3 e la loro convergenza erano più forti di quelli delle onde 1 e 2 nella stratosfera inferiore ad alta latitudine. Si è creata una condizione favorevole per l’onda 3, la quale ha dominato la stratosfera inferiore extratropicale. Questo ha portato a un rafforzamento dei flussi totali di attività ondulatoria e a un rallentamento del getto notturno polare, contrariamente a quanto osservato tra il 26 e il 28 febbraio. Di conseguenza, il riscaldamento si è esteso verso il basso, spostando i contorni di temperatura di 220-K dalla stratosfera media a quella inferiore.

La Figura 1 mostra l’evoluzione di un evento di riscaldamento stratosferico improvviso osservato dall’inizio di febbraio a metà aprile del 2005, suddiviso in quattro parti:

a) Temperatura e Vento Zonale a 10 hPa: Questo pannello rivela come la temperatura (indicata dalle aree colorate) e la velocità del vento zonale (linee di contorno) si siano modificate ad un’altezza di 10 hPa. La palette di colori mostra un gradiente di temperatura, con tonalità più calde che corrispondono a temperature più alte.

b) Media di Temperatura e Vento Zonale dai 60°N ai 90°N: Similmente al primo pannello, qui si osservano le medie di temperatura e vento su un ampio raggio di latitudini alte. La combinazione di sfumature e contorni offre un quadro di come temperatura e vento variavano nella stratosfera polare.

c) EPFz delle Onde 1–3 a 100 hPa: Il terzo pannello traccia il flusso di EPFz per le onde 1, 2 e 3 (rappresentate da diverse linee), insieme alla percentuale di contribuzione dell’onda 3 (rappresentata dalle barre verticali) alla quota di 100 hPa e tra i 50°N e 70°N di latitudine. Questo grafico mette in evidenza il movimento e l’influenza delle onde atmosferiche su questa specifica fascia di latitudine.

d) Indice di Blocco Regionale a 500 hPa: Il quarto pannello visualizza la misura delle perturbazioni atmosferiche, denominate “blocchi”, che influenzano la circolazione generale. I colori qui indicano la forza di questi blocchi, che possono essere indicatori di eventi meteorologici estremi.

Le strisce verticali marcano approssimativamente l’inizio di tre distinti periodi dell’evento, dedotti dai cambiamenti nelle temperature, nei venti e nel contributo delle onde atmosferiche, particolarmente dell’onda 3. La figura nel suo complesso collega le osservazioni dirette con analisi più tecniche per delineare la progressione dell’evento meteorologico studiato.

c. L’Influenza Modulatrice dell’Onda 3 sulle Onde 1 e 2

Dato che il Flusso EP e il WAF di Plumb differiscono sostanzialmente, il metodo del flusso di Eliassen-Palm in 2D permette di calcolare l’attività delle singole onde che poi possono essere combinate, ma ciò fornisce solo una visione generale zonale senza considerare le interazioni locali tra le onde in senso longitudinale. Invece, il WAF in 3D contempla le interazioni tra diverse onde, le cui dinamiche sono più complesse e non possono essere calcolate e poi sommate separatamente. Le onde da 1 a 3 sono generalmente quelle dominanti nella stratosfera e in questo studio specifico, le onde aggiuntive hanno apportato un contributo minore alla dinamica tridimensionale del WAF. Quindi, per esplorare l’effetto modulante dell’onda 3, è stato fatto un confronto tra le onde 1 e 2 da sole e il WAF combinato delle onde da 1 a 3, nella fascia latitudinale chiave tra i 50°N e i 70°N, che è essenziale per la propagazione verso l’alto delle onde planetarie. L’anomalia dell’altezza geopotenziale nella stratosfera e l’EPFz mostrano che l’onda 1 era più presente rispetto all’onda 2 per la maggior parte del tempo considerato. Inizialmente, i flussi ascendenti delle onde 1 e 2 erano concentrati in una particolare localizzazione nell’emisfero orientale, per poi spostarsi nell’emisfero occidentale. L’onda 3 ha avuto l’effetto di dividere il canale ascendente di attività ondulatoria totale da una singola regione longitudinale a due. Verso la fine della fase MnW05 e all’inizio della fase di stallo, l’alta pressione bloccante atlantica si è intensificata, alterando significativamente le strutture del WAF con l’aggiunta dell’onda 3.

La Figura 2 presenta uno studio dettagliato delle dinamiche delle onde atmosferiche e del loro impatto sulla circolazione del vento zonale durante tre fasi distinte di un evento di riscaldamento stratosferico nel 2005. La figura è divisa in tre gruppi orizzontali di pannelli che rappresentano diversi periodi dell’evento.

Prima riga (a, b, c): Questi pannelli esaminano le onde 1 e 2 durante il riscaldamento minore iniziale, la fase di stallo del riscaldamento e l’inizio del riscaldamento finale. I contorni indicano la velocità del vento zonale, mentre i vettori rappresentano il flusso di Eliassen-Palm (EPF), che mostra la direzione e l’intensità con cui l’energia delle onde si sta muovendo attraverso l’atmosfera. Le aree colorate evidenziano la divergenza dell’EPF, che può essere interpretata come le aree dove la circolazione del vento sta subendo accelerazione o decelerazione.

Seconda riga (d, e, f): Si segue la stessa struttura dei primi pannelli ma includendo l’influenza combinata delle onde da 1 a 3, offrendo un’immagine più completa di come queste onde interagiscono e modulano la circolazione atmosferica durante le stesse fasi temporali.

Terza riga (g, h, i): Qui l’attenzione è focalizzata sull’onda 3 da sola, per ispezionare il suo ruolo specifico attraverso le fasi del riscaldamento minore, lo stallo e il riscaldamento finale. I pannelli mostrano come l’onda 3 individuale interagisca con la circolazione esistente, distintamente dalle altre onde.

Nel complesso, la Figura 2 illustra l’interazione complessa tra onde di diversa scala e il vento zonale stratosferico, sottolineando come i diversi tipi di onde influenzano la struttura e la forza dei venti durante fasi critiche di riscaldamento stratosferico. Gli EPF sono normalizzati per riflettere le dimensioni fisiche relative alla Terra e la pressione atmosferica standard, consentendo di interpretare le misure in un contesto geofisico significativo.

La Figura 3 ci offre una panoramica approfondita di come si comportano le onde atmosferiche all’interno di una specifica fascia di latitudine durante diversi momenti chiave di un evento meteorologico.

Colonna Sinistra (a, c, e, g): Onde 1 e 2 In questi pannelli, vediamo rappresentata l’altezza geopotenziale media zonale (le linee di contorno) insieme al WAF (i vettori) e alla sua componente verticale (l’ombreggiatura) per le onde 1 e 2. I contorni ci mostrano le variazioni nell’atmosfera, i vettori indicano direzione e forza del movimento ondulatorio, e le sfumature ci danno la componente verticale del WAF che influenzano la stratosfera. I pannelli sono ordinati cronologicamente, mostrando come si evolvono queste caratteristiche nel tempo.

Colonna Destra (b, d, f, h): Onde 1–3 Questi pannelli si allineano con i momenti corrispondenti nella colonna sinistra, ma includono l’aggiunta dell’onda 3. L’analisi combinata fornisce una visione più complessa di come l’energia ondulatoria si distribuisce e influisce sull’ambiente stratosferico.

Attraverso queste rappresentazioni, possiamo vedere che l’interazione delle onde atmosferiche cambia nel corso dell’evento, influenzando l’altezza geopotenziale e creando condizioni per il riscaldamento o il raffreddamento stratosferico. In particolare, notiamo come l’onda 3 modifichi le dinamiche rispetto all’effetto delle sole onde 1 e 2.

Complessivamente, i dati ci aiutano a capire meglio come le onde atmosferiche si muovono e interagiscono in strati verticali dell’atmosfera, fornendo una comprensione chiave di eventi atmosferici critici come il riscaldamento stratosferico improvviso. Il dimensionamento del WAF è stato adattato per riflettere accuratamente le dimensioni fisiche rilevanti in base alla pressione atmosferica, consentendo ai meteorologi e agli scienziati atmosferici di interpretare le dinamiche su scala appropriata.

Nel periodo che va dalla fine del riscaldamento minore iniziale fino all’inizio del periodo di stallo del riscaldamento, tra il 23 e il 28 febbraio, l’alta pressione bloccante atlantica (ABH) si è intensificata considerevolmente, superando una forza di blocco significativa. Con l’aggiunta dell’onda 3, le strutture del flusso di attività ondulatoria (WAF) hanno mostrato cambiamenti importanti. In questa fase, i flussi ascendenti delle onde 1 e 2 si estendevano su una larga fascia che partiva dall’Eurasia fino al Pacifico occidentale. Al contrario, quando consideriamo anche l’onda 3, questi flussi ascendenti si concentravano maggiormente in due canali più stretti, situati nell’Europa occidentale e nel Pacifico centrale del nord.

Parallelamente, si osservava un canale discendente a ovest dell’ABH, coerente con un flusso verso il basso dell’onda 3 nella stratosfera inferiore, contribuendo a una pausa nel riscaldamento. Più avanti, dal principio fino alla piena maturazione del riscaldamento finale, tra l’8 e il 13 marzo, l’ABH si è indebolita e spostata verso ovest, causando un cambiamento significativo della struttura atmosferica e raggruppando i flussi ascendenti sopra la Penisola del Labrador, lungo la costa atlantica occidentale. L’inclusione dell’onda 3 ha spostato leggermente verso est il canale ascendente sull’Atlantico e ha creato un nuovo canale ascendente sull’area Est Asia-Pacifico, aumentando il flusso ascendente e favorendo lo sviluppo del riscaldamento finale.

Questi intricati flussi ondulatori, risultanti dalle interazioni tra le onde nel WAF tridimensionale, rivelano che l’interazione tra l’onda dominante 3 e l’onda 1 ha creato due distinti canali di attività ondulatoria verso l’alto durante queste fasi cruciali. In tutto questo processo, il flusso di attività ondulatoria vicino alla regione atlantica si dimostrava particolarmente sensibile all’onda 3, legata strettamente all’evoluzione dell’ABH e alle strutture circostanti di temperatura e pressione. È noto che gli eventi di riscaldamento stratosferico improvviso si verificano spesso in concomitanza con blocchi di alta pressione, e durante il periodo analizzato, l’alta anomala sull’ABH si protendeva verticalmente fino a raggiungere i 30 hPa, con masse d’aria più fredde e basse dislocate ai lati.

La struttura atmosferica in esame ha portato a trincee di pressione e temperature che si inclinavano verso ovest con l’aumentare dell’altitudine sopra la parte orientale dell’ABH. Curiosamente, la trincea termica era un po’ più arretrata rispetto a quella di pressione, un fenomeno che ha contribuito a incrementare il flusso di attività ondulatoria verso l’alto. Dall’altro lato, sulla porzione occidentale dell’ABH, le depressioni di pressione e temperatura si inclinavano invece verso est, con la depressione termica che precedeva, favorendo il flusso di attività ondulatoria verso il basso.

Nel periodo tra l’8 e il 13 marzo, l’ABH mostrava un’intensità moderata e un movimento verso ovest, fondendosi con l’alta pressione stratosferica dell’Alaska e formando una cresta inclinata verso ovest con l’altitudine. La trincea termica, situata ad est di questa cresta, era ritardata rispetto alla depressione di pressione, e ciò ha agevolato il flusso di attività ondulatoria ascendente. L’ABH ha indotto un flusso anomalo dell’onda 3, legato al getto polare notturno e agli eventi di riscaldamento stratosferico improvviso (SSW).

In quest’intero contesto, l’onda 3 ha avuto un ruolo centrale nel modulare la direzione orizzontale dell’attività ondulatoria planetaria durante l’SSW05. Il WAF delle onde da 1 a 3 era decisamente più marcato di quello delle onde 1 e 2 vicino alla tropopausa. All’inizio del periodo di stallo del riscaldamento, i flussi delle onde da 1 a 3 provenivano dalla costa occidentale dell’Atlantico e, attraversando la cresta meridionale dell’Atlantico, mutavano la loro direzione da polare a equatoriale. A confronto, l’onda 3 ha attenuato l’attività ondulatoria diretta verso il polo che normalmente si eleva nella stratosfera, portando a una pausa nel riscaldamento. In contrasto, nella fase che ha portato a FW05, i flussi delle onde da 1 a 3 partivano dal Nord America e attraversavano la cresta atlantica, rafforzando l’attività ondulatoria verso il polo e generando le condizioni ideali per flussi ondulatori ascendenti nella stratosfera, facilitando così lo sviluppo del riscaldamento e l’avvento di FW05.

La Figura 4 ci presenta una serie di grafici che illustrano le variazioni nell’atmosfera sopra la fascia di latitudine che va dai 50°N ai 70°N, evidenziando come pressione e temperatura si sono evolute in momenti specifici nel corso di marzo.

a) 23-25 Febbraio: Il primo grafico mostra una mappa di anomalie di altezza geopotenziale (rappresentate dalle linee di contorno) e di temperatura (indicate dalle sfumature di colore). Le zone più fredde sono in blu, mentre quelle più calde in rosso. In questa finestra temporale, possiamo vedere la distribuzione spaziale di masse d’aria calda e fredda e come l’altezza geopotenziale varia in diversi punti longitudinali.

b) 26-28 Febbraio: Continuando nella successione temporale, questo grafico mantiene lo stesso formato del primo, permettendoci di confrontare le condizioni atmosferiche e di notare come si siano sviluppate o mutate dall’ultimo set di dati.

c) 8-10 Marzo: Qui, il grafico continua a tracciare le anomalie di altezza geopotenziale e temperatura, mostrando un’ulteriore evoluzione nel tempo, sottolineando in particolare come si configurano pressione e temperature a inizio marzo.

d) 11-13 Marzo: L’ultimo grafico completa l’osservazione, mostrando le condizioni atmosferiche verso la metà di marzo. Offre una visione completa di come pressione e temperature si sono modificate durante questo periodo primaverile.

Complessivamente, i quattro grafici ci forniscono un’immagine dettagliata di come alcuni elementi chiave dell’atmosfera, come la pressione e la temperatura, possono cambiare notevolmente in un breve periodo di tempo. Queste informazioni sono cruciali per comprendere meglio la dinamica degli eventi meteorologici come i riscaldamenti stratosferici improvvisi e l’impatto delle alte pressioni bloccanti su tali eventi.

La Figura 5 presenta una serie di mappe che illustrano le altezze geopotenziali e i movimenti ondulatori nell’atmosfera a una quota significativa vicina alla tropopausa durante due periodi distinti alla fine di febbraio e a metà marzo.

a) e c) Onde 1 e 2 per il 26-28 Febbraio e l’11-13 Marzo: Questi pannelli ci mostrano come le onde 1 e 2 si muovevano attraverso la stratosfera durante i due periodi, indicati dai vettori. Le linee di contorno ci danno un’immagine delle altezze geopotenziali, che riflettono le variazioni di pressione e massa d’aria. Queste mappe ci permettono di seguire la traiettoria e l’intensità di queste onde atmosferiche.

b) e d) Onde 1-3 negli stessi periodi: Nei pannelli b) e d), l’analisi si espande per includere l’onda 3, fornendo una rappresentazione più completa delle interazioni ondulatorie. L’aggiunta di questa terza onda cambia significativamente il modello del movimento atmosferico, come possiamo vedere dai vettori che ora incorporano il contributo dell’onda 3.

Le mappe visualizzano non solo come la colonna d’aria cambia in altezza, ma anche come queste onde influenzano il trasporto di energia attraverso la stratosfera. Nei periodi selezionati, osserviamo il modo in cui le onde atmosferiche interagiscono tra di loro e con l’ambiente, e come queste interazioni cambiano nel tempo, specialmente in relazione agli eventi significativi come i riscaldamenti stratosferici improvvisi. Le mappe forniscono intuizioni preziose sulle condizioni che potrebbero favorire o ostacolare tali riscaldamenti.

I Flussi di Attività Ondulatoria (WAF) sono una rappresentazione matematica del movimento dell’energia e del momento angolare trasportati dalle onde atmosferiche. In termini semplici, quando le onde si muovono attraverso l’atmosfera, non si limitano a spostare l’aria da un punto all’altro, ma possono anche trasferire energia e forza tra diverse regioni. Il WAF è uno strumento usato dai meteorologi per visualizzare e quantificare questo trasferimento.

Nelle mappe che includono i WAF:

  • I vettori rappresentano la direzione e l’intensità del flusso dell’attività ondulatoria. La direzione dei vettori indica dove l’energia dell’onda si sta muovendo: ad esempio, se i vettori puntano verso l’alto e verso il nord, significa che l’energia si sta spostando verso la parte superiore dell’atmosfera e verso le latitudini più elevate.
  • La lunghezza dei vettori riflette la grandezza del flusso: vettori lunghi indicano un forte trasferimento di energia, mentre vettori corti indicano un trasferimento debole.

Interpretare le mappe dei WAF aiuta i ricercatori a capire come le onde atmosferiche potrebbero influenzare il tempo e il clima. Per esempio, un forte flusso ondulatorio verso l’alto può suggerire che un riscaldamento stratosferico improvviso potrebbe essere imminente, poiché tale flusso potrebbe disturbare o addirittura invertire il getto polare notturno, un vento forte ad alta quota che di solito circola attorno al polo.

In conclusione, il WAF è una misura dinamica che mostra come le onde atmosferiche si muovono e interagiscono con l’ambiente circostante, il che è essenziale per prevedere cambiamenti significativi nei modelli meteorologici.

4. Conclusioni e Discussione

Il nostro studio ha scoperto che l’onda 3 ha avuto diversi impatti sulla modulazione di un evento di riscaldamento stratosferico improvviso nel 2005. Questo effetto è stato particolarmente evidente durante il periodo di stallo del riscaldamento e nella fase successiva del riscaldamento finale. Inizialmente, l’onda 3, in concomitanza con l’alta pressione bloccante atlantica, ha ridotto il flusso totale di attività ondulatoria verso l’alto attraverso un anomalo canale discendente vicino alla porzione occidentale dell’ABH molto marcata. Successivamente, il flusso è aumentato grazie a un canale ascendente situato presso la porzione orientale dell’ABH, che nel frattempo si era spostata verso ovest. Di conseguenza, una diminuzione del flusso totale di più del 30% ha portato alla stagnazione del riscaldamento, mentre un aumento di oltre il 50% ha innescato la fase di FW05. Questi risultati si discostano dalle precedenti analisi, che suggerivano come l’ABH durante gli SSW tendesse a rafforzare la propagazione verso l’alto delle onde planetarie.

Le nostre osservazioni suggeriscono che, sebbene la presenza di blocchi di alta pressione sia spesso associata agli SSW, essa non è da sola garante dell’avvenimento di tali eventi. Inoltre, abbiamo osservato che numerosi blocchi sono seguiti e modulati dagli SSW o dal flusso zonale medio stratosferico.

Si è notato che l’onda 3 ha giocato un ruolo chiave nel modulare i campi atmosferici di base vicino alla tropopausa, alternando tra indebolire e rafforzare il flusso di attività ondulatoria diretto verso i poli, influenzando così il flusso verso l’alto necessario per il riscaldamento stratosferico in varie fasi. Inoltre, l’onda 3, interagendo con l’onda 1, ha diviso i flussi zonali di attività ondulatoria in due distinti canali. Questo tipo di modulazione dell’onda 3 è stato osservato anche nell’emisfero australe, dove l’anomalia dell’onda 3 scompare all’insorgere di un blocco ed è sostituita dalle anomalie delle onde 1 e 2.

https://journals.ametsoc.org/view/journals/atsc/74/5/jas-d-16-0065.1.xml

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