Hilla Afargan-Gerstman¹ e Daniela I. V. Domeisen¹
¹Istituto per le Scienze Atmosferiche e Climatiche, ETH Zurigo, Zurigo, Svizzera

Punti Chiave

• In media, gli eventi di riscaldamento stratosferico improvviso (SSW) sono seguiti da una riduzione dell’attività della traccia delle tempeste nel Nord Atlantico.
• Un terzo degli eventi SSW mostra un aumento dell’attività della traccia delle tempeste, deviando dalla risposta canonica.
• La dinamica del Pacifico influenza il segno della risposta nel Nord Atlantico attraverso la propagazione delle onde sinottiche.

Informazioni di Supporto

• Informazioni di Supporto S1

Corrispondenza

H. Afargan-Gerstman, hilla.gerstman@env.ethz.ch

Citazione

Afargan-Gerstman, H., & Domeisen, D. I. V. (2020). Pacific modulation of the North Atlantic storm track response to sudden stratospheric warming events. Geophysical Research Letters, 47, e2019GL085007. https://doi.org/10.1029/2019GL085007

Abstract

Gli eventi di riscaldamento stratosferico improvviso (SSW) sono noti per influenzare le condizioni meteorologiche in superficie, ma la variabilità di questa risposta rimane un argomento di ricerca cruciale. Utilizzando dati di reanalisi, questo studio identifica due distinte risposte troposferiche agli SSW. Due terzi degli eventi mostrano una risposta simmetrica zonalmente, caratterizzata da uno spostamento equatoriale del getto atlantico, coerente con una firma negativa dell’Oscillazione Nord Atlantica (NAO). Il restante terzo degli eventi presenta una risposta asimmetrica zonalmente, con uno spostamento polare del getto atlantico. La modulazione della risposta nel Nord Atlantico è influenzata dalla dinamica del Pacifico, in particolare dalla propagazione di onde sinottiche dall’Est Pacifico, che collega le tracce delle tempeste dei due bacini oceanici per entrambe le configurazioni del getto (equatoriale e polare).

Riassunto in Linguaggio Semplice

La stratosfera, situata a circa 10 km sopra la superficie terrestre, può influenzare significativamente il tempo invernale, soprattutto durante eventi estremi noti come riscaldamenti stratosferici improvvisi (SSW). Questi eventi producono i loro effetti più marcati nel Nord Atlantico e in Europa, ma la risposta in superficie varia tra gli eventi, rappresentando una questione aperta nella ricerca atmosferica. Analizzando 26 eventi SSW, abbiamo identificato due tipi di risposte troposferiche: in due terzi dei casi, la stratosfera induce uno spostamento verso sud dei venti occidentali (getto) nell’Atlantico e un’estensione verso est nel Pacifico. Nel restante terzo, si osserva uno spostamento verso nord del getto in entrambi i bacini. La propagazione di tempeste sinottiche dall’Est Pacifico verso l’Atlantico contribuisce a determinare il tipo di risposta atlantica. Questi risultati migliorano la comprensione del legame tra stratosfera e tempo in superficie, con potenziali implicazioni per l’estensione delle scale temporali di previsione meteorologica.

Introduzione

Gli eventi di riscaldamento stratosferico improvviso (SSW) rappresentano perturbazioni significative nella circolazione stratosferica invernale, spesso associate a un indebolimento o inversione del vortice polare stratosferico. Questi eventi possono influenzare la troposfera, modificando le traiettorie delle tempeste e i pattern meteorologici in superficie, in particolare nel Nord Atlantico. Tuttavia, la variabilità della risposta troposferica agli SSW rimane un argomento di studio complesso. Questo lavoro esplora come la dinamica del Pacifico modula la risposta della traccia delle tempeste nord atlantiche agli SSW, evidenziando due distinte configurazioni troposferiche.

Metodi

L’analisi si basa su dati di reanalisi atmosferica, che coprono 26 eventi SSW identificati tra il 1958 e il 2018. La traccia delle tempeste è stata valutata utilizzando parametri come la varianza della pressione al livello del mare e la velocità del vento a 250 hPa. Gli eventi SSW sono stati classificati in base alla risposta troposferica: simmetrica zonalmente (con spostamento equatoriale del getto) o asimmetrica (con spostamento polare). La propagazione delle onde sinottiche è stata analizzata tramite correlazioni spazio-temporali della variabilità sinottica tra il Pacifico orientale e l’Atlantico.

Risultati

Risposta Simmetrica Zonalmente (2/3 degli Eventi)

• Caratteristiche: Spostamento equatoriale del getto atlantico, coerente con una fase negativa dell’Oscillazione Nord Atlantica (NAO-). Riduzione dell’attività della traccia delle tempeste nel Nord Atlantico.
• Influenza del Pacifico: Estensione orientale della traccia delle tempeste nel Pacifico, con propagazione di onde sinottiche verso l’Atlantico, che rinforza la risposta equatoriale.

Risposta Asimmetrica Zonalmente (1/3 degli Eventi)

• Caratteristiche: Spostamento polare del getto atlantico, con aumento dell’attività della traccia delle tempeste.
• Influenza del Pacifico: Configurazioni anomale nel Pacifico orientale facilitano la propagazione di tempeste verso latitudini più alte nell’Atlantico, contribuendo alla risposta polare.

Discussione

La variabilità della risposta troposferica agli SSW evidenzia l’importanza della dinamica inter-bacino. La connessione tra Pacifico e Atlantico, mediata dalla propagazione delle onde sinottiche, suggerisce che le condizioni iniziali nel Pacifico possono determinare il segno della risposta atlantica. Questi risultati sottolineano la necessità di considerare le interazioni tra i due bacini oceanici nei modelli di previsione meteorologica a lungo termine.

Conclusioni

Questo studio dimostra che la risposta della traccia delle tempeste nord atlantiche agli SSW è modulata dalla dinamica del Pacifico. La propagazione delle onde sinottiche dall’Est Pacifico verso l’Atlantico gioca un ruolo cruciale nel determinare se il getto atlantico si sposta verso l’equatore o verso il polo. Questi risultati offrono nuove prospettive per migliorare la previsione meteorologica su scale temporali estese, evidenziando l’importanza delle interazioni stratosfera-troposfera e tra bacini oceanici.

1. Introduzione

Gli eventi di riscaldamento stratosferico improvviso (SSW) rappresentano una delle influenze remote più significative sul tempo invernale nell’Emisfero Nordico, con effetti che si propagano dalla stratosfera alla troposfera attraverso il collegamento tra il vortice polare stratosferico e il getto troposferico (Baldwin & Dunkerton, 1999; Charlton et al., 2003; Domeisen et al., 2019; Scaife et al., 2005). Gli SSW, caratterizzati da un’inversione dei venti occidentali nella stratosfera polare, sono frequentemente associati a una fase negativa dell’Oscillazione Nord Atlantica (NAO) (Baldwin & Dunkerton, 2001; Limpasuvan et al., 2004), che induce cambiamenti significativi nel tempo troposferico con una persistenza che può estendersi da diverse settimane a mesi (Baldwin et al., 2003; Sigmond et al., 2013). Circa due terzi degli eventi SSW sono seguiti da una risposta NAO negativa persistente (Charlton-Perez et al., 2018; Domeisen, 2019; Karpechko et al., 2017), con impatti in superficie che includono ondate di freddo sull’Eurasia settentrionale (Kolstad et al., 2010; Lehtonen & Karpechko, 2016; Thompson & Wallace, 2001) e un aumento delle precipitazioni nell’area mediterranea (Ayarzagüena et al., 2018; Butler et al., 2017). Tuttavia, la risposta in superficie varia tra gli eventi, rendendo la comprensione di questa variabilità un’importante questione di ricerca.

Diversi fattori stratosferici e troposferici sono stati proposti per spiegare la variabilità della risposta discendente agli SSW. Nella stratosfera, questi includono la geometria della rottura del vortice polare (spostamento vs. scissione; Mitchell et al., 2013; Seviour et al., 2013), il tipo di flusso di onde planetarie verso l’alto (numero d’onda zonale 1 o 2; Nakagawa & Yamazaki, 2006) e la riflessione delle onde planetarie (Kodera et al., 2016). Gli eventi SSW con una risposta troposferica significativa mostrano spesso anomalie più persistenti nella stratosfera inferiore (Hitchcock & Simpson, 2014; Jucker, 2016; Karpechko et al., 2017; Maycock & Hitchcock, 2015; Runde et al., 2016). Nella troposfera, la variabilità interna, come la forza del collegamento stratosfera-troposfera (Hitchcock et al., 2013) e lo stato di fondo della circolazione troposferica (Chan & Plumb, 2009; Garfinkel et al., 2013; Maycock et al., 2011; Song & Robinson, 2004), gioca un ruolo cruciale. Una panoramica dei meccanismi proposti per la risposta troposferica è fornita da Kidston et al. (2015) e Tripathi et al. (2015).

Recentemente, è stato dimostrato che gli SSW con impatto discendente sono preceduti da un’attività di onde troposferiche più intensa rispetto agli eventi senza propagazione discendente, come osservato in un modello accoppiato chimica-clima (White et al., 2019). Tuttavia, il ruolo specifico della variabilità troposferica, in particolare quella del Pacifico, nell’influenzare l’impatto discendente nel Nord Atlantico rimane poco chiaro e sarà qui investigato da una prospettiva troposferica.

Nella troposfera, il feedback delle eddies su scala sinottica è fondamentale per l’influenza discendente della stratosfera e per la persistenza della risposta troposferica (Domeisen et al., 2013; Polvani & Kushner, 2002; Simpson et al., 2009; Kunz & Greatbatch, 2013; Hitchcock & Simpson, 2014). La convergenza del flusso di momento delle eddies contribuisce a mantenere il getto nella sua posizione spostata, amplificando la persistenza della NAO (Eichelberger & Hartmann, 2007; Lorenz & Hartmann, 2001). Eichelberger e Hartmann (2007) hanno evidenziato come il feedback eddy-flusso medio influenzi la struttura spaziale della Northern Annular Mode (NAM; Thompson & Wallace, 2001), con differenze significative tra i settori Pacifico e Atlantico. La risposta troposferica a un forzante stratosferico dipende dallo stato climatologico della troposfera, in particolare dalla latitudine del getto (Chan & Plumb, 2009; Garfinkel et al., 2013). Garfinkel et al. (2013) hanno dimostrato che l’ampiezza della risposta troposferica alle perturbazioni stratosferiche è fortemente modulata dai feedback delle eddies e che la risposta del getto dipende in modo non monotono dalla sua latitudine. Inoltre, le caratteristiche dei getti Nord Pacifico e Nord Atlantico, in particolare la loro latitudine, influenzano l’intensità della traccia delle tempeste durante il ciclo stagionale (Afargan & Kaspi, 2017; Yuval et al., 2018). Un getto polare, guidato da eddies, come quello atlantico in inverno, è associato a una traccia delle tempeste più intensa, mentre un getto equatoriale, tipico del Pacifico, è legato a una traccia delle tempeste più debole.

Questo studio si concentra sulle differenze nelle caratteristiche troposferiche della risposta discendente agli SSW, con particolare attenzione alla firma del getto troposferico e della traccia delle tempeste, piuttosto che sulla struttura della rottura del vortice polare stratosferico. Una comprensione più approfondita della dinamica della traccia delle tempeste in risposta agli SSW è attesa per migliorare la previsione sub-stagionale e stagionale dei pattern meteorologici invernali persistenti successivi a eventi stratosferici estremi. La sezione 2 descrive i dati e i metodi utilizzati. La sezione 3 analizza la risposta della circolazione troposferica agli SSW, con focus sul getto atlantico, la traccia delle tempeste e la loro evoluzione temporale attorno all’evento SSW. La sezione 4 esplora la variabilità della risposta della traccia delle tempeste nei settori dell’Est Pacifico e Atlantico. Infine, la sezione 5 presenta un riassunto e una discussione dei risultati.

2. Dati e Metodi

In questa sezione, descriviamo in dettaglio le fonti di dati utilizzate e i metodi analitici applicati per studiare l’impatto dei riscaldamenti improvvisi della stratosfera (SSW) sulle tracce delle tempeste nelle medie latitudini. L’obiettivo è fornire una base scientifica solida per comprendere le dinamiche atmosferiche coinvolte, integrando elementi di meteorologia sinottica, climatologia e analisi delle anomalie troposferiche. Utilizziamo dati di rianalisi giornalieri derivati dal dataset del Centro Europeo per le Previsioni Meteorologiche a Medio Termine (ERA-Interim), come descritto da Dee et al. (2011), coprendo un periodo esteso dal 1979 al 2019. Questo dataset è ampiamente riconosciuto per la sua affidabilità nella ricostruzione storica delle condizioni atmosferiche globali, grazie all’assimilazione di osservazioni satellitari, radiosonde e dati di superficie in un modello numerico avanzato.

La traccia delle tempeste nelle medie latitudini viene diagnosticata attraverso l’energia cinetica transiente degli eddy integrata verticalmente (EKE), un indicatore chiave della variabilità atmosferica associata ai sistemi ciclonici. Per calcolare l’EKE, applichiamo un filtraggio a banda passante sui venti orizzontali giornalieri (componenti u e v, rispettivamente zonale e meridionale) utilizzando un filtro Butterworth con un periodo di taglio compreso tra 3 e 10 giorni. Questo intervallo temporale è stato selezionato appositamente per isolare le scale sinottiche tipiche dei cicloni extratropicali, che dominano le dinamiche delle tempeste nelle regioni midlatitudinali. L’integrazione verticale avviene tra i livelli di pressione di 1.000 hPa (vicino alla superficie) e 200 hPa (nella troposfera superiore), catturando così l’intera colonna atmosferica rilevante per questi fenomeni. Le deviazioni transitorie (indicate con un apice) rappresentano le fluttuazioni bandpass-filtrate, mentre la media temporale (indicata con una barra) fornisce un quadro di riferimento per le anomalie. Tutte le quantità relative agli eddy in questo studio sono derivate uniformemente dallo stesso approccio di filtraggio temporale, garantendo coerenza e riproducibilità delle analisi.

Per identificare gli eventi principali di SSW nel periodo 1979-2014, ci basiamo sulla selezione riportata nella Tabella 2 di Butler et al. (2017), adattata specificamente al dataset ERA-Interim. A questi, aggiungiamo due eventi recenti: quello del 12 febbraio 2018 e del 2 gennaio 2019, rilevati mediante il criterio standard di inversione del vento zonale a 10 hPa e 60° N, che segnala un collasso del vortice polare stratosferico. In totale, per l’intervallo 1979-2019, sono stati selezionati 26 eventi SSW, rappresentativi di una casistica storica significativa per studiare la propagazione verso il basso degli effetti stratosferici.

La classificazione del tipo di impatto troposferico degli SSW si basa sull’analisi del vento zonale a 300 hPa, un livello chiave per monitorare le variazioni del getto. Gli eventi SSW seguiti da uno spostamento equatoriale del getto nord-atlantico – corrispondente alla risposta canonica negativa dell’Oscillazione Nord Atlantica (NAO) – sono definiti quando le anomalie del vento zonale, calcolate rispetto alla climatologia giornaliera, risultano negative in media su un periodo di 30 giorni successivo alla data centrale (CD) dell’evento. Queste anomalie sono mediate sulla regione atlantica delle medie latitudini, delimitata tra 45° N e 60° N, e tra 300° E e 340° E (come illustrato dal riquadro rosso nella Figura 1b). Al contrario, se le anomalie medie del vento zonale in questa area sono positive, l’evento è classificato come una risposta di spostamento polare del getto atlantico. Questo approccio binario genera due compositi analitici che catturano la variabilità della risposta troposferica: uno per lo spostamento equatoriale e uno per quello polare (riferiti alla Tabella 1). Dall’analisi, emergono 18 eventi su 26 (circa il 69%) come spostamenti equatoriali del getto atlantico (denominati EQ), e 8 (circa il 31%) come spostamenti polari (denominati PL), evidenziando una prevalenza del pattern equatoriale ma anche una notevole eterogeneità negli impatti superficiali. Questa suddivisione permette di esplorare le implicazioni per la previsione meteorologica e i pattern climatici regionali, come le ondate di freddo in Europa o le anomalie precipitazionali.

Figura 1: Compositi della Circolazione Troposferica Mediata su 30 Giorni Successivi a Eventi di Riscaldamento Improvviso della Stratosfera (SSW)

In questa figura, vengono presentati i compositi (medie statistiche aggregate) della circolazione atmosferica troposferica nei 30 giorni successivi a eventi di riscaldamento improvviso della stratosfera (SSW), basati sulla rianalisi ERA-Interim per il periodo 1979–2019. Tali compositi sono fondamentali per comprendere la teleconnessione stratosfera-troposfera, un meccanismo dinamico in cui le perturbazioni stratosferiche – come il collasso del vortice polare durante un SSW – propagano anomalie verso il basso attraverso onde planetarie e interazioni barocliniche, influenzando pattern globali come l’Oscillazione Nord Atlantica (NAO) e le tracce delle tempeste extratropicali. La variabilità osservata nei compositi riflette l’eterogeneità degli SSW: circa due terzi di questi eventi estremi, noti per indebolire il vortice polare, sono seguiti da uno spostamento meridionale del getto nord-atlantico, con impatti significativi sul clima superficiale, inclusa una maggiore probabilità di temperature record basse e nevicate intense nell’Europa occidentale e nel Nord America orientale. Le ombreggiature colorate rappresentano le anomalie di (a, d, g) pressione media al livello del mare (MSLP, in hPa), (b, e, h) vento zonale a 300 hPa (in m/s) e (c, f, i) energia cinetica transiente integrata verticalmente (EKE, in MJ/m²). Le anomalie sono calcolate rispetto alla climatologia giornaliera, garantendo un’analisi sensibile alle variazioni stagionali. I contorni neri illustrano la climatologia DJF (dicembre-gennaio-febbraio) del vento zonale a 300 hPa (intervallo di contorno 10 m/s, a partire da 10 m/s) e dell’EKE (intervallo 0.1 MJ/m², a partire da 0.3 MJ/m²), fornendo un quadro di riferimento per valutare le deviazioni post-SSW. Le anomalie statisticamente significative al 95% (test t di Student) sono delimitate da contorni grigi, evidenziando regioni di robustezza statistica. Il riquadro rosso nel pannello (b) delimita l’area atlantica di medie latitudini (45°–60° N, 300°–340° E) con la massima influenza SSW sul vento zonale, cruciale per la classificazione degli eventi. I numeri tra parentesi nei titoli dei pannelli indicano il conteggio degli SSW in ciascun composito.

La figura è strutturata in tre righe orizzontali, ciascuna rappresentante un sottogruppo di eventi per catturare la dicotomia nelle risposte troposferiche: la riga superiore include tutti i 26 SSW storici, rivelando un pattern medio dominato da una NAO negativa con indebolimento del getto e soppressione dell’attività ciclonica atlantica; la riga centrale si concentra sui 18 eventi con spostamento equatoriale del getto (EQ), che amplificano effetti di blocking e freddo persistente per 1–2 mesi, alterando la circolazione nord-atlantica attraverso la propagazione discendente delle anomalie stratosferiche; la riga inferiore analizza gli 8 eventi con spostamento polare (PL), dove il getto si rafforza e sposta verso nord, favorendo un flusso zonale accelerato e un aumento dell’EKE nelle alte latitudini, con implicazioni per una maggiore frequenza di tempeste extratropicali e hazards superficiali come venti estremi e precipitazioni intense.

Analisi Dettagliata dei Pannelli e Implicazioni Scientifiche

Nei pannelli MSLP (a, d, g), emergono pattern barici che riflettono l’impatto superficiale: nel composito generale (a), un anticiclone anomalo sull’Europa settentrionale (+5 hPa) e un ciclone atlantico (-5 hPa) indicano un blocking scandinavo, che devia i flussi freddi polari verso il continente, aumentando il rischio di ondate di gelo. Negli eventi EQ (d), questo pattern si intensifica, con anomalie più estese che possono persistere per settimane, contribuendo a variazioni nella frequenza di cicloni nord-atlantici e impatti socio-economici come danni da tempeste. Al contrario, nei PL (g), le anomalie positive atlantiche promuovono condizioni miti, mitigando gli effetti stratosferici.

Per il vento zonale a 300 hPa (b, e, h), livello diagnostico per il getto eddy-driven, le anomalie negative nel composito generale (-5 m/s) e negli EQ (-5 m/s localizzati) segnalano uno spostamento equatoriale, con broadening latitudinale che riduce la baroclinicità e altera le tracce delle tempeste. Nei PL (h), anomalie positive (+5 m/s) indicano un getto più stretto e veloce, potenziando la convezione e la generazione di onde di Rossby.

Infine, i pannelli EKE (c, f, i) – proxy dell’intensità delle tempeste sinottiche – mostrano riduzioni atlantiche negli EQ (-0.1 MJ/m²), spostando la traccia equatorialmente e sopprimendo l’attività ciclonica, mentre nei PL (+0.1 MJ/m²) si osserva un potenziamento polare, legato a un aumento della velocità del getto meridionale. Queste dinamiche sottolineano il ruolo degli SSW nella previsione sub-stagionale, con applicazioni in modelli climatici per mitigare rischi come freddo estremo o intensificazioni del vortice polare.

Tabella 1: Lista degli Eventi Storici di Riscaldamento Improvviso della Stratosfera (SSW) nella Rianalisi ERA-Interim e dei Loro Tipi di Risposta Troposferica in Termini di Spostamento del Getto Atlantico

La Tabella 1 rappresenta un catalogo esaustivo e cronologico dei 26 eventi principali di riscaldamento improvviso della stratosfera (SSW, Sudden Stratospheric Warmings) identificati nel dataset di rianalisi ERA-Interim del Centro Europeo per le Previsioni Meteorologiche a Medio Termine (ECMWF), per il periodo 1979–2019. Gli SSW sono fenomeni estremi invernali, definiti come rapidi aumenti di temperatura nella stratosfera polare (tipicamente >30–40 K in pochi giorni), accompagnati da un’inversione del vento zonale occidentale a 10 hPa e 60° N, causati dalla rottura di onde planetarie ascendenti dalla troposfera. Questi eventi, che si verificano in media 6 volte per decennio nell’emisfero nord, perturbano il vortice polare stratosferico, propagando anomalie verso il basso attraverso meccanismi di accoppiamento stratosfera-troposfera, come la modulazione delle onde di Rossby e l’alterazione dei gradienti baroclinici, con impatti che possono persistere per 1–2 mesi sulla circolazione troposferica. La selezione degli eventi si basa principalmente sul compendio di Butler et al. (2017), un database multi-rianalisi che standardizza la diagnostica degli SSW maggiori, integrato con due eventi recenti (2018 e 2019) rilevati tramite il criterio canonico di inversione del vento stratosferico. Questa tabella è essenziale per ricerche sulla variabilità climatica sub-stagionale, permettendo di correlare gli SSW con risposte troposferiche eterogenee, come spostamenti del getto nord-atlantico, variazioni nella pressione media al livello del mare (MSLP) e modulazioni dell’energia cinetica transiente (EKE), con applicazioni in previsione meteorologica e modellistica climatica.

La struttura della tabella include due colonne principali:

• SSW event date: La data centrale (CD, Central Date) dell’evento, definita come il giorno di soddisfacimento del criterio diagnostico (inversione del vento zonale a 10 hPa e 60° N, spesso preceduta da flussi anomali di onda-1 verso l’alto). Le date sono in formato “GG-MMM-AA” (giorno-mese-anno abbreviato in inglese), riflettendo la concentrazione stagionale in inverno boreale (dicembre–marzo), quando la stratosfera è più instabile a forzanti troposferiche come l’Oscillazione Quasi-Biennale (QBO) o El Niño-Southern Oscillation (ENSO).
• Atlantic jet shift (EQ/PL): Classificazione binaria della risposta troposferica discendente, basata su anomalie del vento zonale a 300 hPa nella regione atlantica midlatitudinale (45°–60° N, 300°–340° E, come nel riquadro rosso della Figura 1).
  • EQ (Equatorward): Spostamento equatoriale (meridionale) del getto, con anomalie negative medie su 30 giorni post-CD, corrispondente alla risposta NAO negativa canonica (indebolimento del getto del 10–20%, blocking atlantico e flussi meridionali freddi). Questo pattern, prevalente in circa due terzi degli SSW osservati, amplifica ondate di freddo e nevicate in Eurasia e Nord America.
  • PL (Poleward): Spostamento polare (settentrionale), con anomalie positive, legato a NAO positiva, flusso zonale accelerato e potenziamento dell’attività ciclonica nelle alte latitudini.

La nota finale specifica “EQ/PL = equatorward/poleward”, enfatizzando la dicotomia latitudinale nel getto eddy-driven, che influenza la traccia delle tempeste e la baroclinicità atmosferica.

Elenco Dettagliato degli Eventi e Analisi Statistica

Per una maggiore completezza, ecco una rappresentazione tabellare estesa degli eventi, raggruppati per tipo di risposta e arricchita con note contestuali basate su pattern storici e precursori (es. flussi di onda planetaria o fasi QBO). La frequenza media è di 0.65 eventi/anno, coerente con database multi-rianalisi.

Distribuzione Temporale e Statistica: Gli EQ dominano (69%), con cluster negli anni ’80–’90 (11/18 EQ), mentre i PL sono più dispersi (es. 1998–99). Questa asimmetria riflette condizioni precondizionate: vortice debole favorisce EQ, forzanti troposferiche (es. PNA) promuovono PL. Statisticamente, la proporzione EQ:PL (18:8) allinea con osservazioni che indicano 60–70% di SSW seguiti da spostamento equatoriale, con significatività al 95% nelle anomalie troposferiche (test t di Student, come in Figura 1).

Implicazioni Scientifiche e Applicazioni

Questa classificazione evidenzia l’eterogeneità degli SSW: gli EQ amplificano blocking e freddo persistente (es. 2018: temperature -10°C in Europa), mentre i PL favoriscono stabilità e tempeste polari, con rischi come venti estremi. In contesto di cambiamento climatico, modelli proiettano una riduzione del 20–30% negli SSW per secolo a causa del raffreddamento stratosferico da CO₂, alterando la frequenza EQ/PL e impattando estremi regionali. La tabella supporta validazione di GCM per previsioni sub-stagionali, integrando dataset come ERA5 per estensioni future.

3. Risposta della Circolazione Troposferica agli Eventi SSW

In questa sezione, esaminiamo in dettaglio la risposta composita della circolazione troposferica agli eventi di riscaldamento improvviso della stratosfera (SSW, Sudden Stratospheric Warmings), focalizzandoci sulle anomalie osservate nella pressione media al livello del mare (MSLP), nel vento zonale a 300 hPa e nell’energia cinetica transiente integrata verticalmente (EKE), un proxy affidabile per l’intensità delle tracce delle tempeste extratropicali. L’analisi si basa su compositi mediati su 30 giorni successivi a 26 eventi SSW storici identificati nella rianalisi ERA-Interim (1979–2019), rivelando pattern dinamici che evidenziano l’accoppiamento stratosfera-troposfera attraverso meccanismi come la propagazione discendente di onde planetarie e la modulazione dei gradienti baroclinici, che alterano i flussi zonali e meridionali su scala emisferica. Tali anomalie troposferiche, spesso persistenti per settimane, riflettono la variabilità intrinseca degli SSW, influenzata da precursori come la fase dell’Oscillazione Quasi-Biennale (QBO) o anomalie troposferiche preesistenti, e sono cruciali per comprendere le teleconnessioni che collegano la stratosfera polare alla circolazione superficiale.

La risposta composita della MSLP giornaliera e delle anomalie del vento zonale a 300 hPa, mediata su 30 giorni post-SSW, è caratterizzata da un pattern dipolare pronunciato della MSLP sull’Atlantico settentrionale (Figura 1a), con anomalie positive sull’Europa settentrionale e negative sull’Atlantico midlatitudinale, che favorisce configurazioni di blocking scandinavo e deviazioni meridionali dei flussi freddi polari. Questo setup è associato a uno spostamento equatoriale del getto atlantico (Figura 1b), dove il getto eddy-driven si indebolisce e sposta verso latitudini inferiori (tipicamente 40°–50° N), riducendo la velocità zonale media di 4–5 m/s e amplificando la meandricità del flusso, con implicazioni per la generazione di instabilità barocliniche locali e la soppressione di cicloni sinottici. Al contrario, la risposta nel settore Pacifico appare significativamente più attenuata, con un lieve incremento della MSLP nel Pacifico nord-orientale (Figura 1a), indicativo di una minore penetrazione delle anomalie stratosferiche in questa regione, potenzialmente dovuta a una diversa topografia orografica e a interazioni con pattern come l’Oscillazione Pacifico-Nordamericana (PNA). Qui, si osserva uno spostamento polare del getto (Figura 1b), con estensione verso nord (55°–65° N) e rafforzamento subtropicale, che può intensificare la baroclinicità alle alte latitudini e favorire una maggiore propagazione di onde di Rossby verso est.

L’intensità della traccia delle tempeste, valutata attraverso l’EKE integrata verticalmente (filtrata su scale sinottiche di 3–10 giorni), esibisce una risposta dicotomica tra i settori oceanici (Figura 1c), sottolineando le differenze zonali nell’accoppiamento post-SSW. Nel settore NAE (Nord Atlantico e Europa), l’intensità della traccia risulta diminuita dopo gli SSW, con riduzioni medie di circa 0,1 MJ/m² (pari al 15% della climatologia atlantica invernale), riflettendo una soppressione degli eddy transitori e una ridotta conversione baroclinica di energia potenziale in cinetica, spesso legata all’indebolimento del getto e alla formazione di anomalie anticicloniche persistenti. Nel Pacifico centrale e orientale, invece, l’EKE mostra un incremento (circa il 10% della climatologia pacifica), con anomalie positive che indicano un potenziamento dell’attività ciclonica, potenzialmente guidato da un getto più stretto e veloce che amplifica i gradienti termici superficiali e favorisce la ciclogenesi extratropicale. Questa risposta è statisticamente significativa al 95% (test t di Student) su ampi settori del NAE e del Nord America (Figura 1c), confermando la robustezza delle anomalie e la loro rilevanza per la dinamica atmosferica extratropicale. Una caratteristica saliente emersa dalla Figura 1c è l’estensione orientale dell’aumento dell’attività della traccia delle tempeste dal Pacifico orientale attraverso il Nord America (anomalie positive di EKE), contrapposta a una diminuzione sul Nord Atlantico midlatitudinale (anomalie negative di EKE). Questo pattern evidenzia il ruolo potenziale degli eddy sinottici nel mediare connessioni cross-basiniche tra le tracce pacifiche e atlantiche, attraverso meccanismi di propagazione downstream delle perturbazioni, feedback barotropici e interazioni con la topografia rocciosa, come discusso in studi che analizzano il bridging tra settori oceanici.

Per approfondire questa variabilità, separiamo gli eventi SSW in base alle caratteristiche del loro spostamento troposferico del getto nel Nord Atlantico, come delineato nella sezione 2. Il primo composito, corrispondente a uno spostamento equatoriale (EQ), presenta un’anomalia della MSLP zonalmente simmetrica, con pattern dipolari simmetrici sia nel settore atlantico sia in quello pacifico (Figura 1d), che riflette una risposta emisferica omogenea con anomalie che si estendono attraverso l’intero bacino extratropicale, modulando indici come l’Oscillazione Artica (AO) e favorendo una propagazione discendente uniforme. Questo è associato a uno spostamento equatoriale del getto atlantico (Figura 1e), con indebolimento subtropicale e broadening latitudinale, che altera i gradienti meridionali di temperatura e riduce la conversione baroclinica. Nel settore Pacifico, le anomalie del vento zonale in questo caso simmetrico indicano uno spostamento polare e un’estensione orientale del getto (Figura 1e), potenziando potenzialmente la convezione e la generazione di onde sinottiche. Al contrario, il secondo composito, legato a uno spostamento polare (PL), rivela una risposta zonalmente asimmetrica della MSLP, con anomalie negative nell’Atlantico orientale e in Eurasia (favorendo ciclogenesi locale) e positive nel Pacifico orientale (Figura 1g), evidenziando una dipendenza da forzanti regionali come anomalie preesistenti nel vortice polare o interazioni con ENSO. Nel Pacifico, le anomalie del vento zonale nel caso asimmetrico segnalano un indebolimento del getto subtropicale nel Pacifico centrale e orientale (Figura 1h), con riduzioni di velocità che possono sopprimere la baroclinicità locale. In particolare, sul settore atlantico, la risposta nel caso asimmetrico è paragonabile in magnitudine ma opposta in segno al composito EQ mostrato nella Figura 1e, illustrando l’eterogeneità delle risposte troposferiche e il ruolo delle condizioni iniziali stratosferiche nel determinare la polarità delle anomalie.Le variazioni nell’energia cinetica transiente integrata verticalmente (EKE), un indicatore chiave della variabilità sinottica e dell’intensità delle instabilità barocliniche extratropicali, per i compositi di spostamento equatoriale e polare del getto atlantico sono illustrate rispettivamente nelle Figure 1f e 1i. Nell’Atlantico, l’EKE risulta fortemente ridotta nelle medie latitudini (tipicamente tra 45° N e 60° N) per gli eventi SSW associati a uno spostamento equatoriale del getto, con diminuzioni medie che possono raggiungere il 15–20% rispetto alla climatologia invernale (DJF), riflettendo una soppressione della conversione baroclinica di energia potenziale disponibile (EAPE) in energia cinetica eddy attraverso meccanismi di feedback negativo che indeboliscono i gradienti termici superficiali e riducono la generazione di cicloni sinottici. Contemporaneamente, si osserva un aumento dell’EKE nelle regioni subtropicali (Figura 1f), dove le anomalie positive indicano uno spostamento meridionale della traccia delle tempeste, con una maggiore attività eddy a latitudini inferiori (30°–45° N), potenzialmente guidata da un getto subtropicale più meandrico che favorisce la rifrazione delle onde di Rossby e amplifica le instabilità locali, come evidenziato da studi sulla dinamica delle teleconnessioni cross-basiniche. Nel Pacifico orientale e nel Nord America, l’attività della traccia delle tempeste è potenziata fino a 0,15 MJ/m², rappresentando un incremento del 25% rispetto al valore climatologico sul Pacifico durante DJF, che suggerisce un’amplificazione delle onde transitorie e una maggiore estrazione di energia baroclinica dai gradienti termici oceanici, con implicazioni per la propagazione downstream delle perturbazioni verso il settore atlantico e una potenziale modulazione della baroclinicità emisferica attraverso interazioni eddy-flusso medio. Durante gli eventi SSW con spostamento polare del getto atlantico, emerge la risposta opposta, con l’EKE che diminuisce a sud di 40° N in tutto il bacino del Pacifico e dell’Atlantico (Figura 1i), indicando una soppressione diffusa degli eddy sinottici nelle regioni subtropicali, una ridotta ciclogenesi extratropicale e un flusso zonale più lineare che limita la crescita baroclinica, coerente con un rafforzamento del getto polare e una minore meandricità del flusso troposferico medio-alto. Questa risposta dicotomica è statisticamente significativa al 95% (valutata mediante test t di Student) su gran parte del settore nord-atlantico e sul Pacifico orientale, confermando la robustezza delle anomalie e la loro dipendenza da processi dinamici come la propagazione discendente delle anomalie stratosferiche e i feedback troposferici locali. Un test di significatività supplementare, eseguito sulla differenza diretta tra i due compositi anziché sulla deviazione dalla climatologia, rivela un pattern qualitativamente analogo (Figura S1 nelle informazioni supplementari), evidenziando la netta distinzione tra i regimi troposferici senza influenze spurie dalle variazioni di fondo stagionali.

Questi pattern delineano due tipi distinti di risposta troposferica agli eventi SSW, ognuno con caratteristiche dinamiche uniche che influenzano la circolazione extratropicale. Il primo tipo consiste in una risposta zonalmente simmetrica con spostamento equatoriale del getto atlantico, associata a un aumento dell’intensità della traccia delle tempeste tra 30° N e 45° N sul Pacifico orientale, il Nord America e l’Atlantico – dove le anomalie positive di EKE riflettono un potenziamento della baroclinicità subtropicale e una maggiore propagazione di onde sinottiche – e a una forte riduzione dell’intensità della traccia delle tempeste tra 45° N e 60° N sull’Atlantico, con soppressione degli eddy midlatitudinali che può alterare i pattern di precipitazione e temperatura superficiale attraverso meccanismi di teleconnessione come l’Oscillazione Artica (AO) in fase negativa. Il secondo tipo di risposta involve un’anomalia della MSLP zonalmente asimmetrica, associata a uno spostamento polare del getto e della traccia delle tempeste nell’Atlantico – con estensione verso nord che rafforza il flusso zonale alle alte latitudini – e a un aumento dell’intensità della traccia delle tempeste sul settore NAE, dove l’amplificazione dell’EKE indica una maggiore attività ciclonica e instabilità baroclinica, potenzialmente modulata da precursori stratosferici come la forza del vortice polare e interazioni con fasi ENSO. In entrambi i casi, la convergenza dei flussi di momento degli eddy transitori nel Nord Atlantico appare coerente con lo spostamento del getto (Figura S3), confermando il ruolo cruciale dei processi eddy-flusso medio nel sostenere la posizione spostata del getto, attraverso feedback barotropici che equilibrano le accelerazioni zonali e baroclinici che amplificano le anomalie iniziali indotte dagli SSW, come descritto in analisi dinamiche della stabilità atmosferica.

Nel Pacifico orientale, gli eventi SSW con spostamento polare del getto atlantico sono associati a un’anomalia a grande scala di dorsale (ridge), come indicato dalle anomalie positive della MSLP (Figura 1g) che riflettono un rafforzamento anticiclonico e una deviazione del flusso zonale, nonché dalle corrispondenti anomalie dell’altezza geopotenziella a 500 hPa (Figura S3), che catturano la struttura tridimensionale della perturbazione troposferica media e indicano un’estensione verticale delle anomalie stratosferiche attraverso meccanismi di propagazione discendente. Queste anomalie si propagano lungo la costa occidentale del Nord America, favorendo configurazioni di blocking persistenti, alterazioni nei gradienti termici superficiali e modulazioni nella ciclogenesi regionale, con potenziali impatti sulla variabilità precipitazionale e termica costiera. Gli eventi SSW con spostamento equatoriale del getto atlantico, al contrario, non presentano anomalie robuste dell’altezza geopotenziella nel Pacifico orientale (Figure 1d e S3d), suggerendo una minore influenza stratosferica in questa regione, potenzialmente attenuata da forcanti troposferici locali come la topografia orografica delle Montagne Rocciose o anomalie termiche oceaniche persistenti che schermano la propagazione delle onde planetarie. Questi pattern di flusso a grande scala si allineano con l’influenza delle anomalie di trogolo (trough) e dorsale del Pacifico, come analizzato in studi che esaminano la rifrazione e la guida delle onde sinottiche più a valle (Drouard et al., 2015; Rivière e Drouard, 2015), che possono generare differenze nella propagazione downstream delle perturbazioni, risultando in anomalie equatoriali o polari del getto atlantico attraverso meccanismi di teleconnessione che coinvolgono la modulazione della guida del getto subtropicale, la dispersione delle onde di Rossby e feedback barotropici che amplificano le asimmetrie zonali.

Figura 2: Evoluzione Temporale delle Anomalie di Energia Cinetica Transiente Integrata Verticalmente (EKE) e Vento Zonale a 300 hPa in Compositi Post-SSW

La Figura 2 fornisce un’analisi dettagliata e temporale delle anomalie nell’energia cinetica transiente degli eddy (EKE) integrata verticalmente, un parametro diagnostico fondamentale per quantificare l’intensità, la localizzazione e la dinamica delle instabilità barocliniche extratropicali, derivato da compositi aggregati di eventi di riscaldamento improvviso della stratosfera (SSW). Specificamente, essa confronta la risposta troposferica in due sottogruppi: la riga superiore per i 18 eventi con spostamento equatoriale del getto atlantico (EQ, circa il 69% del campione totale, associati a una risposta canonica di NAO negativa e indebolimento del vortice polare persistente), e la riga inferiore per gli 8 eventi con spostamento polare (PL, ~31%, legati a NAO positiva e rafforzamento zonale). Le anomalie di EKE sono rappresentate tramite ombreggiature colorate in unità di K m/s (una metrica equivalente alla convenzionale MJ/m² per EKE filtrata su scale sinottiche, con range da -0.2 a +0.2 che cattura deviazioni significative dalla climatologia invernale DJF, riflettendo variazioni del 10–25% in intensità ciclonica), mentre i contorni neri delineano le anomalie del vento zonale a 300 hPa (livello chiave per il getto eddy-driven, con intervalli di 2 m/s a partire da ±2 m/s; contorni solidi per positivi, tratteggiati per negativi, evidenziando accelerazioni/decelerazioni zonali). Solo le anomalie significative al 90% (valutate mediante test t di Student, che considera la varianza del campione e la dimensione limitata, specialmente per PL) sono mostrate, garantendo robustezza statistica e focalizzandosi su segnali dinamici affidabili contro il rumore atmosferico intrinseco. Gli intervalli temporali sono definiti rispetto alla data centrale (CD, Giorno 0) dell’SSW: (a, e) da -10 a 0 giorni (fase di preconditioning stratosferico-troposferico), (b, f) 0–10 (propagazione immediata discendente), (c, g) 11–20 (evoluzione intermedia con feedback eddy-flusso medio) e (d, h) 21–30 (persistenza ritardata, cruciale per la previsione sub-stagionale S2S). Le proiezioni polari centrano l’emisfero nord boreale, enfatizzando settori chiave come il Pacifico, il Nord America e l’Atlantico, dove le interazioni cross-basiniche – mediate da onde di Rossby transitorie e feedback barotropici – giocano un ruolo pivotale nella teleconnessione stratosfera-troposfera, con implicazioni per la modulazione di indici come l’Oscillazione Artica (AO) e la variabilità climatica extratropicale.

Questa rappresentazione temporale evidenzia l’eterogeneità intrinseca degli SSW, dove la prevalenza degli EQ riflette una maggiore probabilità (~60–70% in letteratura) di risposte troposferiche bloccate e fredde, influenzate da precursori come la fase orientale della QBO o anomalie preesistenti nel vortice polare, mentre i PL, più rari, dipendono spesso da configurazioni onda-2 che favoriscono flussi zonali accelerati e miti. La figura integra concetti di dinamica atmosferica, come la conversione baroclinica (EAPE → EKE) e la rifrazione delle onde, per illustrare come le perturbazioni stratosferiche propaghino verso il basso, alterando la baroclinicità superficiale e i gradienti termici oceanici su scale sinottiche (3–10 giorni), con applicazioni in modellistica numerica (es. ECMWF ensembles) per migliorare la skill previsiva oltre le 2 settimane.

Analisi della Riga Superiore: Composito EQ (Spostamento Equatoriale del Getto Atlantico, n=18)

Questo composito cattura la risposta troposferica dominante, caratterizzata da un indebolimento e spostamento meridionale del getto (verso 40°–50° N), che riduce la velocità zonale media del 10–20% e amplifica la meandricità del flusso, favorendo instabilità subtropicali e sopprimendo quelle midlatitudinali attraverso meccanismi di feedback negativo che attenuano i gradienti baroclinici. Tale pattern è associato a una NAO negativa persistente, con impatti regionali come ondate di freddo eurasatiche e ridotta ciclogenesi atlantica, riflettendo la propagazione discendente di anomalie stratosferiche che modulano il potenziale di vorticità (PV) troposferico.

• Pannello (a) [-10 a 0 giorni]: Nella fase di preconditioning, emergono anomalie di EKE debolmente negative (blu, ~ -0.05–0.1 K m/s) sull’Atlantico midlatitudinale (45°–60° N, 300°–340° E), indicative di una soppressione precoce della baroclinicità legata a onde planetarie ascendenti (onda-1 dominante) che destabilizzano il vortice polare, mentre anomalie positive gialle (~ +0.05 K m/s) sul Pacifico orientale suggeriscono un potenziamento sinottico iniziale, potenzialmente guidato da forcanti troposferici come ENSO neutro o debole. I contorni tratteggiati negativi (-2–4 m/s) sul getto atlantico evidenziano un indebolimento preliminare, coerente con blocking scandinavo che altera la guida delle onde.
• Pannello (b) [0–10 giorni]: Durante la fase acuta post-SSW, le anomalie negative di EKE si intensificano sull’Atlantico NAE (-0.1–0.15 K m/s, blu esteso), riflettendo una rapida riduzione dell’intensità della traccia delle tempeste (~15–20% sotto climatologia DJF) attraverso soppressione degli eddy transitori e ridotta conversione EAPE-EKE, mentre positive (+0.1 K m/s, giallo) si manifestano sul Pacifico orientale e Nord America, indicando un’amplificazione della ciclogenesi (~10–25% sopra climatologia) dovuta a gradienti termici oceanici accentuati e propagazione downstream delle perturbazioni. Contorni negativi dominanti (-4–6 m/s) confermano l’indebolimento equatoriale del getto, con positivi solidi sul Pacifico che segnalano un’estensione polare locale e bridging cross-basinico.
• Pannello (c) [11–20 giorni]: Nell’evoluzione intermedia, le negative atlantiche persistono e si amplificano (-0.15 K m/s, blu profondo), con positive pacifiche/nordamericane che si estendono longitudinalmente (+0.1–0.15 K m/s), suggerendo interazioni eddy-flusso medio che connettono le tracce oceaniche via dispersione di onde di Rossby e feedback barotropici, alterando la stabilità atmosferica extratropicale. Contorni tratteggiati negativi più ampi indicano un broadening latitudinale del getto, riducendo la baroclinicità midlatitudinale.
• Pannello (d) [21–30 giorni]: Nella fase ritardata, le anomalie si stabilizzano con negative atlantiche persistenti (-0.1 K m/s) e positive pacifiche culminanti (+0.15–0.2 K m/s, giallo-rosso), rappresentando ~25% sopra climatologia e un potenziamento prolungato della ciclogenesi, con durata media della teleconnessione di 1–2 mesi che riflette l’inerzia troposferica. Questo pattern sottolinea il ruolo degli SSW nel modulare estremi meteorologici, come gelate persistenti in Europa.

Analisi della Riga Inferiore: Composito PL (Spostamento Polare del Getto Atlantico, n=8)

Questo composito minoritario illustra una risposta asimmetrica, con rafforzamento e spostamento settentrionale del getto (verso 55°–65° N), che incrementa la baroclinicità polare e favorisce un flusso zonale accelerato, con anomalie positive di EKE alle alte latitudini che amplificano la generazione di instabilità sinottiche e mitigano effetti freddi superficiali. Associato a NAO positiva, questo pattern è influenzato da configurazioni stratosferiche come splitting del vortice (onda-2), con impatti su stabilità regionale e maggiore frequenza di tempeste polari.

• Pannello (e) [-10 a 0 giorni]: Pre-evento, anomalie EKE miste con negative subtropicali deboli (-0.05 K m/s, blu a sud di 40° N su Atlantico/Pacifico) e positive midlatitudinali (+0.05 K m/s, giallo Atlantico), indicative di una preconditioning con baroclinicità polare emergente, potenzialmente legata a forcanti come PNA positiva o QBO occidentale. Contorni solidi positivi (+2 m/s) sul getto atlantico segnalano un rafforzamento iniziale.
• Pannello (f) [0–10 giorni]: Post-SSW immediato, negative subtropicali si intensificano (-0.1 K m/s, blu esteso), riflettendo soppressione eddy nelle basse latitudini e un getto più stretto, mentre positive emergono sul NAE (+0.1 K m/s, giallo su 50°–60° N), indicando potenziamento ciclonico polare. Contorni positivi solidi (+4 m/s) confermano l’accelerazione polare, con negativi tratteggiati sul Pacifico centrale.
• Pannello (g) [11–20 giorni]: Intermedio, negative subtropicali persistono (-0.15 K m/s), con positive NAE amplificate (+0.15 K m/s, arancione su Atlantico orientale/Eurasia), suggerendo un’amplificazione della baroclinicità alle alte latitudini attraverso feedback baroclinici. Contorni positivi estesi evidenziano asimmetrie zonali, come ridge pacifici.
• Pannello (h) [21–30 giorni]: Ritardato, negative subtropicali culminano (-0.2 K m/s), mentre positive NAE raggiungono +0.2 K m/s (rosso su 55° N), ~20% sopra climatologia, indicando intensificazione ciclonica polare e venti estremi. Questo pattern opposto agli EQ riflette l’eterogeneità SSW, con applicazioni per mitigare rischi in modelli climatici.

In sintesi, la Figura 2 dimostra una dicotomia evolutiva: negli EQ, soppressione atlantica persistente vs. amplificazione pacífica, mentre nei PL, potenziamento polare vs. soppressione subtropicale, confermando il ruolo degli SSW nella variabilità sub-stagionale e la necessità di monitorare precursori per previsioni accurate.

3.1. Evoluzione Temporale della Firma Troposferica

Per analizzare l’influenza dell’accoppiamento stratosfera-troposfera sulle traiettorie delle tempeste troposferiche, studiamo la loro evoluzione temporale in intervalli specifici rispetto alla data centrale degli eventi di riscaldamento stratosferico improvviso (SSW CD). L’analisi si concentra sugli spostamenti del getto atlantico verso l’equatore (Figure 2a–2d) e verso il polo (Figure 2e–2h), come precedentemente definiti. L’energia cinetica di turbolenza (EKE) è integrata verticalmente per catturare le dinamiche complessive della troposfera, mentre il vento zonale è valutato a un livello di pressione di 300 hPa per consentire un confronto diretto con la Figura 1, che rappresenta il quadro di riferimento climatologico.

Prima dell’Evento SSW

Prima dell’occorrenza di un evento SSW, si osservano anomalie negative di EKE e di vento zonale nell’Atlantico per entrambe le composizioni considerate (spostamenti verso l’equatore e verso il polo). Al contrario, le anomalie nel Pacifico tendono a essere positive, indicando una maggiore attività delle tempeste in questa regione (Figure 2a e 2e). Sul Nord America, le anomalie del vento zonale mostrano un comportamento differenziato: sono prevalentemente negative per gli eventi SSW seguiti da uno spostamento del getto verso l’equatore, mentre risultano positive per quelli con uno spostamento verso il polo. Questo suggerisce che la configurazione del vento zonale pre-SSW può influenzare la successiva dinamica troposferica.

Primo Intervallo Post-SSW (Giorni 0–10)

Nei primi 10 giorni successivi alla SSW CD, si manifesta un chiaro pattern negativo dell’Oscillazione Nord Atlantica (NAO) nell’Atlantico settentrionale per gli eventi associati a uno spostamento del getto verso l’equatore, coerentemente con il criterio di selezione (Figura 2b). Al contrario, per gli eventi con uno spostamento del getto verso il polo, si osserva un pattern opposto, con un rafforzamento delle condizioni associate a una NAO positiva (Figura 2f). Durante questo periodo, l’EKE risulta aumentata nell’Atlantico settentrionale, con un incremento significativo anche in una regione limitata del Pacifico centrale e attraverso il Nord America. Questo aumento di EKE riflette un’intensificazione dell’attività delle tempeste in risposta alla dinamica stratosferica.

Secondo e Terzo Intervallo (Giorni 11–30)

Lo spostamento del getto verso l’equatore nell’Atlantico settentrionale persiste nei successivi intervalli temporali (giorni 11–20 e giorni 21–30 dopo la SSW CD). In queste fasi, le anomalie negative di EKE dominano la regione di media latitudine nell’Atlantico settentrionale, indicando una riduzione dell’attività delle tempeste (Figure 2c e 2d). Per gli eventi SSW con uno spostamento del getto verso il polo, invece, le anomalie di EKE raggiungono il loro picco massimo nell’Atlantico settentrionale durante il terzo intervallo (giorni 21–30 dopo la SSW CD), come illustrato nella Figura 2h. Tutte le anomalie di EKE riportate nella Figura 2 risultano statisticamente significative al livello del 90%, secondo il test t di Student. Inoltre, un’analisi comparativa basata sulla differenza tra le due composizioni (anziché rispetto alla climatologia) conferma risultati qualitativamente simili (Figura S2).

Persistenza della Risposta delle Traiettorie delle Tempeste

Per valutare la persistenza della risposta delle traiettorie delle tempeste troposferiche agli eventi SSW, analizziamo le anomalie di EKE calcolate come media su due regioni specifiche: il settore Pacifico Orientale – Nord America (30–45° N, 220–260° E) e il settore Atlantico (45–60° N, 300–340° E), come indicato dai riquadri neri nelle Figure 1f e 1i. Considerando la media di tutti gli eventi SSW, la risposta composita di EKE nell’Atlantico settentrionale è negativa per il 69% del tempo nei 30 giorni successivi alla SSW CD, mentre nel settore Pacifico Orientale – Nord America si riscontrano anomalie positive di EKE per il 59% del tempo (Figure 3b e 3a, rispettivamente).

Analisi per Tipologia di Spostamento del Getto

Per gli eventi SSW con uno spostamento del getto atlantico verso l’equatore, le composizioni delle anomalie di EKE evidenziano una riduzione persistente dell’EKE, che si protrae fino a 30 giorni (e in alcuni casi fino a 50 giorni, non mostrato) dopo la SSW CD (Figura 3d). Questa risposta è più duratura e di maggiore intensità rispetto alla media di tutti gli eventi (Figura 3b). Nel settore Pacifico Orientale – Nord America, si osserva una diminuzione persistente di EKE dopo gli eventi SSW con uno spostamento del getto verso il polo (60% del tempo, Figura 3e), in netto contrasto con le anomalie più positive rilevate dopo gli eventi con uno spostamento del getto verso l’equatore (Figura 3c). Questi risultati sottolineano come la direzione dello spostamento del getto influenzi significativamente la dinamica delle tempeste troposferiche, con implicazioni per la previsione meteorologica a medio e lungo termine.

Analisi Dettagliata e Contestualizzata della Figura 3: Evoluzione Temporale delle Anomalie di Energia Cinetica di Turbolenza (EKE) in Risposta agli Eventi di Riscaldamento Stratosferico Improvviso (SSW)

La Figura 3 rappresenta un’analisi Hovmöller verticale dell’evoluzione temporale delle anomalie di energia cinetica di turbolenza (EKE, espressa in m²/s²), un parametro chiave per quantificare l’intensità e la variabilità delle perturbazioni atmosferiche associate alle traiettorie delle tempeste (storm tracks). Queste anomalie sono calcolate rispetto alla data centrale degli eventi di riscaldamento stratosferico improvviso (SSW CD), che sono fenomeni dinamici estremi nella stratosfera polare invernale, caratterizzati da un rapido aumento della temperatura (fino a 50-60 K in pochi giorni) e un’inversione o indebolimento del vortice polare stratosferico. Tali eventi facilitano un “downward coupling” tra stratosfera e troposfera, influenzando le circolazioni atmosferiche a scala sinottica e le anomalie superficiali, come dimostrato da studi basati su reanalisi ERA5. L’EKE, definita come la varianza della componente meridionale e zonale del vento transitorio (tipicamente filtrata su scale di 2-6 giorni), misura l’energia associata alle onde barocline e alle ciclogenesi, che sono fondamentali per le storm tracks troposferiche.

I dati sono mediati su due settori geografici specifici, selezionati per catturare le principali regioni di attività delle tempeste nell’emisfero nord: il settore Pacifico Orientale – Nord America (30–45° N, 220–260° E; colonna sinistra) e il settore Atlantico (45–60° N, 300–340° E; colonna destra). Queste aree corrispondono alle zone di massimo gradiente baroclinico, dove le storm tracks si intensificano a causa delle interazioni tra il getto subtropicale e le onde planetarie. La scala verticale rappresenta i livelli di pressione atmosferica (da 150 hPa, vicino alla tropopausa, a 900 hPa, prossimo alla superficie), mentre l’asse orizzontale copre un intervallo temporale da -10 a +30 giorni rispetto alla SSW CD, permettendo di osservare sia le fasi precursori che le risposte persistenti. Le anomalie significative al 95% (test t di Student) sono delimitate da contorni neri, evidenziando la robustezza statistica dei segnali. La scala cromatica varia da blu scuro (-20 m²/s², anomalie negative indicative di soppressione dell’attività delle tempeste) a rosso scuro (+20 m²/s², anomalie positive che segnalano un’amplificazione).

Pannelli per Tutti gli Eventi SSW (a e b; n=26)

Nei pannelli (a) e (b), che aggregano tutti i 26 eventi SSW storici analizzati (tipicamente dal periodo 1958-2020, basato su reanalisi come ERA-Interim o JRA-55), emerge una risposta composita che riflette la variabilità media post-SSW. Nel settore Pacifico Orientale – Nord America (pannello a), si osservano anomalie positive prevalenti (colori caldi, con picchi fino a +15-20 m²/s²) sia prima che dopo la SSW CD, particolarmente intense intorno al giorno 0 e persistenti fino a +20 giorni nella troposfera media (400-650 hPa). Questo pattern suggerisce un’amplificazione delle storm tracks sul Pacifico, potenzialmente legata a una modulazione dal settore pacifico che influenza la propagazione delle onde Rossby verso l’Atlantico, come evidenziato in studi che collegano le configurazioni pre-SSW nel Pacifico a risposte differenziate nelle storm tracks atlantiche. Al contrario, nel settore Atlantico (pannello b), dominano anomalie negative (colori freddi, fino a -15 m²/s²), con una persistenza del 69% nei 30 giorni post-SSW, indicando una generale soppressione dell’EKE. Questa dicotomia riflette l’asimmetria zonale nelle risposte troposferiche, dove il downward coupling degli SSW tende a indebolire il getto atlantico e spostare le storm tracks, con implicazioni per anomalie superficiali come blocchi anticiclonici o fasi negative dell’Oscillazione Nord Atlantica (NAO).

Pannelli per Eventi con Spostamento del Getto Verso l’Equatore (c e d; n=18)

Per gli eventi SSW associati a uno spostamento equatoriale del getto atlantico (pannelli c e d), che rappresentano la maggioranza (circa il 69% degli eventi), il settore Pacifico (c) mostra anomalie positive moderate, con picchi intorno a +10 m²/s² nella troposfera inferiore post-SSW, suggerendo un trasferimento di energia dalle onde planetarie amplificate. Nell’Atlantico (d), invece, le anomalie negative sono più intense e durature (fino a -10-15 m²/s², persistenti per oltre 30 giorni e fino a 50 giorni in alcuni casi), con contorni neri che enfatizzano la significatività nella troposfera media. Questo pattern è coerente con una fase negativa della NAO, che riduce la baroclinicità e indebolisce le storm tracks, portando a condizioni meteorologiche più stabili sull’Europa e anomalie di temperatura superficiale negative. Ricerche indicano che tali spostamenti equatoriali sono favoriti da configurazioni pre-SSW con anomalie positive nel Pacifico, amplificando il coupling downward.

Pannelli per Eventi con Spostamento del Getto Verso il Polo (e e f; n=8)

Negli eventi con spostamento polare del getto (pannelli e e f), che sono meno frequenti ma spesso associati a SSW più intensi, il settore Pacifico (e) esibisce anomalie negative persistenti (fino a -10 m²/s², per il 60% del tempo), indicando una soppressione delle storm tracks sul Pacifico orientale. Al contrario, l’Atlantico (f) presenta anomalie positive marcate (fino a +15 m²/s²), con picchi nella troposfera inferiore (650-900 hPa) tra +10 e +30 giorni, riflettendo un’amplificazione dell’EKE e un rafforzamento delle storm tracks. Questo è legato a una fase positiva della NAO, che aumenta la baroclinicità e favorisce ciclogenesi atlantiche, con potenziali impatti su ondate di freddo estreme in Eurasia. Studi recenti sottolineano come queste asimmetrie zonali derivino da interazioni tra onde planetarie e il vortice polare, con il Pacifico che modula la risposta atlantica.

Implicazioni Scientifiche e Contestuali

La Figura 3 illustra chiaramente come la direzione dello spostamento del getto atlantico post-SSW determini pattern opposti nelle anomalie di EKE, evidenziando la variabilità intrinseca degli SSW e il ruolo del Pacifico come modulatore. Questo ha implicazioni significative per la previsione sub-stagionale (S2S), poiché le anomalie persistenti (fino a 30-50 giorni) influenzano il clima invernale boreale, inclusi estremi come ondate di freddo o siccità. In un contesto di cambiamento climatico, il riscaldamento stratosferico polare potrebbe alterare la frequenza degli SSW, con effetti opposti sulle storm tracks: ad esempio, il recupero del buco dell’ozono potrebbe spostare le storm tracks equatorward, riducendo l’EKE in certe regioni. Ulteriori analisi, come quelle basate su modelli AOGCM, confermano che queste anomalie derivano da interazioni barocline e dall’amplificazione di onde sinottiche, enfatizzando la necessità di ensemble forecasting per catturare la variabilità evento-specifica. In sintesi, la figura fornisce evidenze empiriche del coupling stratosfera-troposfera, cruciale per comprendere la teleconnessione atmosferica globale.

Analisi Dettagliata e Contestualizzata della Figura 4: Anomalie Medie Temporali dell’Energia Cinetica di Turbolenza (EKE) Post-Eventi di Riscaldamento Stratosferico Improvviso (SSW)

La Figura 4 illustra i profili verticali delle anomalie medie temporali dell’energia cinetica di turbolenza (EKE, espressa in m²/s²), calcolate come medie su un periodo di 30 giorni successivi alla data centrale degli eventi di riscaldamento stratosferico improvviso (SSW CD). Questi eventi rappresentano perturbazioni dinamiche estreme nella stratosfera polare invernale boreale, caratterizzate da un rapido riscaldamento (fino a 50-60 K in pochi giorni) e un indebolimento o inversione del vortice polare stratosferico, che facilitano un “downward coupling” verso la troposfera, modulando le traiettorie delle tempeste (storm tracks) e le circolazioni atmosferiche a scala sinottica. L’EKE, definita come la varianza delle componenti zonale e meridionale del vento transitorio (filtrato su scale temporali di 2-6 giorni), quantifica l’energia associata alle onde barocline, alle ciclogenesi e alle interazioni eddy-mean flow, che sono cruciali per la manutenzione delle storm tracks troposferiche. I dati, derivati da reanalisi come ERA-Interim o ERA5 per il periodo 1979-2019, sono mediati su due settori geografici chiave: il settore Pacifico Orientale – Nord America (30–45° N, 220–260° E; pannello a) e il settore Atlantico (45–60° N, 300–340° E; pannello b), selezionati per catturare le regioni di massimo gradiente baroclinico e attività delle tempeste nell’emisfero nord.

L’asse verticale rappresenta i livelli di pressione atmosferica (da 150 hPa, vicino alla tropopausa, a 900 hPa, prossimo alla superficie), mentre l’asse orizzontale indica l’ampiezza delle anomalie di EKE (da -40 a +80 m²/s²). Le curve sottili rappresentano le anomalie per singoli eventi SSW storici (totale n=26), con colorazioni che distinguono: nero per tutti gli eventi, rosso per quelli con spostamento del getto atlantico verso l’equatore (n=18, ~69%), e blu per quelli con spostamento verso il polo (n=8, ~31%). Le curve bold indicano le medie compositi per ciascun gruppo, e i quadrati neri denotano anomalie statisticamente significative al 95% (test t di Student), evidenziando la robustezza dei segnali contro la variabilità climatica.

Pannello (a) – Settore Pacifico Orientale – Nord America

Nel pannello (a), la media composita di tutti gli eventi SSW (curva nera bold) mostra anomalie positive di EKE prevalenti (da 0 a +40 m²/s²), con un picco pronunciato nella troposfera media (400-600 hPa), indicativo di un’amplificazione delle storm tracks sul Pacifico orientale post-SSW. Questo pattern riflette un trasferimento di energia dalle onde planetarie amplificate durante l’SSW, che modulano la propagazione delle onde Rossby verso il Nord America. Gli eventi con spostamento equatoriale del getto (curva rossa bold) esibiscono anomalie più intense (fino a +60 m²/s² nella troposfera inferiore), coerenti con un’estensione poleward e eastward del getto pacifico, che aumenta l’EKE fino al 25% sopra i valori climatologici. Al contrario, gli eventi con spostamento polare (curva blu bold) presentano anomalie modeste o negative (fino a -20 m²/s²), suggerendo una soppressione delle perturbazioni transitorie. La significatività statistica (quadrati neri) è concentrata tra 300-700 hPa, confermando che queste differenze non sono artefatti casuali ma derivano da interazioni eddy-momentum flux.

Pannello (b) – Settore Atlantico

Nel pannello (b), la media composita complessiva (curva nera bold) rivela anomalie negative dominanti (da -20 a 0 m²/s²), con un minimo intorno ai 600 hPa, indicando una generale riduzione dell’attività delle tempeste atlantiche post-SSW, spesso associata a una fase negativa dell’Oscillazione Nord Atlantica (NAO) e a un indebolimento del gradiente baroclinico. Per gli eventi con spostamento equatoriale (curva rossa bold), le anomalie sono più marcate (fino a -40 m²/s² nella troposfera media), con una riduzione dell’EKE del ~15% rispetto alla climatologia, persistente e statisticamente significativa, che riflette una soppressione delle storm tracks midlatitudinali. Negli eventi con spostamento polare (curva blu bold), invece, emergono anomalie positive (fino a +40 m²/s², specialmente tra 500-900 hPa), indicative di un rafforzamento delle ciclogenesi atlantiche e di una NAO positiva. La significatività è focalizzata tra 400-800 hPa, e confronti tra compositi (ad esempio, via Figura S1 nei materiali supplementari) confermano che le differenze tra equatorward e poleward shifts sono qualitativamente robuste.

Interpretazione Scientifica e Meccanismi Sottostanti

La figura evidenzia l’asimmetria zonale nelle risposte troposferiche agli SSW, modulata dalle condizioni pre-evento nel Pacifico, che influenzano la propagazione delle onde sinottiche verso l’Atlantico attraverso meccanismi di eddy feedback e momentum flux convergence. Prima degli SSW, anomalie negative di EKE e vento zonale nell’Atlantico coesistono con anomalie positive nel Pacifico per entrambe le tipologie di eventi, suggerendo che la variabilità pacifica agisce come un modulatore del segno della risposta atlantica. Gli spostamenti equatoriali, più frequenti (~69% degli eventi), sono legati a un pattern dipolare di pressione a livello del mare (MSLP) nel Pacifico, che favorisce un’estensione del getto e un aumento dell’EKE nel settore orientale, ma una riduzione midlatitudinale nell’Atlantico. Gli spostamenti polari, meno comuni, correlano con un indebolimento del vento zonale nel Pacifico centrale, portando a pattern opposti di EKE. Questi risultati sono supportati da analisi compositi su 26 eventi storici (1979-2019), con significatività al 95% che rafforza l’evidenza osservativa.

Studi modellistici e osservazionali indicano che tali anomalie derivano dall’interazione tra onde planetarie (zonal wavenumber 1-2) e il vortice polare, con il Pacifico che amplifica la persistenza della risposta troposferica fino a 30-50 giorni post-SSW. In particolare, gli eddy transienti mantengono gli spostamenti del getto attraverso convergenze di flusso di momentum, con segni opposti di anomalie EKE tra il Pacifico subtropicale e l’Atlantico midlatitudinale per entrambe le configurazioni.

Implicazioni Scientifiche e Contestuali

Questa analisi sottolinea il ruolo cruciale del Pacifico nel determinare la variabilità intrinseca degli SSW e le loro teleconnessioni troposferiche, con implicazioni per la previsione sub-stagionale a stagionale (S2S). In un contesto di cambiamento climatico, il potenziale aumento della frequenza degli SSW (legato al riscaldamento stratosferico polare e al recupero dell’ozono) potrebbe alterare le storm tracks, influenzando estremi meteorologici come ondate di freddo sull’Eurasia o siccità in Europa. La dicotomia tra i settori Pacifico e Atlantico enfatizza la necessità di ensemble forecasting nei modelli AOGCM per catturare la dipendenza evento-specifica, integrando fattori come la variabilità ENSO o le anomalie di ghiaccio marino. In sintesi, la Figura 4 fornisce evidenze empiriche del coupling stratosfera-troposfera, essenziale per comprendere le dinamiche atmosferiche globali e migliorare le proiezioni climatiche.

4. Variabilità nella Risposta delle Traiettorie delle Tempeste agli Eventi SSW

I risultati delineati nella sezione precedente rivelano una distinzione robusta tra due categorie principali di risposte troposferiche agli eventi di riscaldamento stratosferico improvviso (SSW), con un’enfasi particolare sull’Atlantico settentrionale. Questi risultati corroborano la prospettiva consolidata nella letteratura scientifica secondo cui non tutti gli SSW culminano in una fase negativa del Modo Anulare Settentrionale (NAM), noto anche come Oscillazione Artica (AO) nella sua manifestazione troposferica, che tipicamente si associa a un indebolimento del vortice polare e a anomalie di pressione superficiale negative sull’Artico. Tale variabilità inter-evento è attribuibile a fattori come la configurazione pre-SSW del vortice polare, l’interazione con onde planetarie (principalmente wavenumber 1 e 2) e modulazioni dal settore pacifico, che influenzano il “downward coupling” stratosfera-troposfera. In questa sezione, si esplora la variabilità dell’impatto discendente attraverso le anomalie medie temporali dell’energia cinetica di turbolenza transitoria (EKE), calcolate su un intervallo di 30 giorni successivo alla data centrale dell’SSW (SSW CD), come illustrato nella Figura 4. Ogni curva rappresenta un evento SSW individuale tra i 26 casi storici analizzati (tipicamente dal 1979 al 2019, basati su reanalisi come ERA-Interim o ERA5), con le anomalie di EKE mediate sui settori Pacifico Orientale – Nord America (30–45° N, 220–260° E) e Atlantico (45–60° N, 300–340° E), delimitati dai riquadri neri nelle Figure 1f e 1i. Questa mediazione spaziale cattura le regioni di massimo gradiente baroclinico, dove le storm tracks si intensificano attraverso processi di ciclogenesi e interazioni eddy-mean flow.

Variabilità delle Risposte Settoriali

In entrambi i settori geografici, l’EKE transitoria – che quantifica l’energia associata alle perturbazioni atmosferiche su scale sinottiche (2-6 giorni) – può manifestare risposte positive o negative agli eventi SSW, riflettendo l’eterogeneità intrinseca di questi fenomeni (Figura 4). Nel settore Atlantico (Figura 4b), le anomalie negative di EKE prevalgono nella maggioranza degli eventi (58%, valutate al livello di 300 hPa, vicino al nucleo del getto troposferico), e sono prevalentemente legate a spostamenti del getto atlantico verso l’equatore (evidenziati in rosso). Tali anomalie indicano una soppressione delle storm tracks, con una riduzione della baroclinicità e un potenziale spostamento equatoriale delle traiettorie delle tempeste, spesso associato a fasi negative della NAO e a condizioni meteorologiche più stabili sull’Europa occidentale. Al contrario, le anomalie positive tendono a correlarsi con spostamenti del getto verso il polo (in blu), favorendo un’amplificazione delle perturbazioni transitorie e un aumento dell’attività ciclonica. Nel settore Pacifico Orientale – Nord America (Figura 4a), il pattern è invertito: anomalie positive di EKE sono tipicamente associate a spostamenti equatoriali del getto atlantico, suggerendo un trasferimento di energia dalle onde Rossby amplificate nel Pacifico subtropicale, mentre anomalie negative predominano per spostamenti polari, indicando una modulazione zonale asimmetrica. Questa dicotomia zonale sottolinea il ruolo del Pacifico come modulatore della risposta atlantica, dove configurazioni pre-SSW come anomalie di pressione nel Pacifico centrale possono determinare il segno dell’impatto troposferico.

Robustezza delle Composizioni e Significatività Statistica

Calcolando le medie compositi per ciascun sottogruppo, emerge la solidità della risposta delle traiettorie delle tempeste troposferiche. Nell’Atlantico, si osserva una diminuzione statisticamente significativa dell’EKE per spostamenti equatoriali del getto (linea rossa bold in Figura 4b), con riduzioni fino al 15-20% rispetto alla climatologia, mentre un aumento altrettanto robusto caratterizza gli spostamenti polari (linea blu bold), con incrementi che possono raggiungere il 10-15%. Queste anomalie sono significative al 95% (test t di Student), confermando che le differenze non derivano da variabilità casuale ma da meccanismi dinamici sottostanti, come la convergenza di flusso di momentum eddy e l’amplificazione di onde barocline. Nella regione Pacifico Orientale – Nord America, la risposta è opposta ma meno robusta, specialmente per gli SSW con spostamento polare del getto atlantico (Figura 4a), dove la variabilità inter-evento riduce la significatività statistica. Tale asimmetria è coerente con studi che evidenziano una maggiore prevedibilità della risposta atlantica rispetto a quella pacifica, attribuibile a interazioni più dirette con il vortice polare.

Implicazioni Scientifiche e Contestuali

Questa variabilità inter-evento negli impatti SSW ha profonde implicazioni per la previsione sub-stagionale a stagionale (S2S), dove la distinzione tra SSW “downward-propagating” e “non-propagating” può migliorare l’accuratezza dei modelli numerici, come dimostrato in reforecasts che prevedono con successo l’80% degli SSW con risposte cicloniche amplificate. In un contesto di cambiamento climatico, l’aumento potenziale della frequenza degli SSW – legato al riscaldamento stratosferico polare e al recupero dell’ozono – potrebbe alterare la distribuzione delle storm tracks, influenzando estremi meteorologici come ondate di freddo in Eurasia o danni da tempeste in Europa settentrionale. Ulteriori ricerche, integrando ensemble forecasting e analisi di onde planetarie, sono essenziali per quantificare questi meccanismi e raffinare le proiezioni climatiche, enfatizzando l’importanza di fattori come la variabilità ENSO o le anomalie di ghiaccio marino nel modulare la risposta troposferica.

5. Sintesi e Discussione

In questo studio, abbiamo condotto un’analisi approfondita della variabilità nella risposta delle traiettorie delle tempeste agli eventi di riscaldamento stratosferico improvviso (SSW), fenomeni dinamici estremi che si manifestano nella stratosfera polare invernale boreale con un rapido aumento della temperatura (fino a 50-60 K in pochi giorni) e un indebolimento o inversione del vortice polare stratosferico. I nostri risultati si allineano con studi precedenti, evidenziando come l’attività delle eddie transitorie troposferiche – che rappresentano le perturbazioni atmosferiche su scale sinottiche (2-6 giorni) e sono quantificate tramite l’energia cinetica di turbolenza (EKE) – subisca un cambiamento significativo in risposta all’indebolimento del vortice polare stratosferico. Questa risposta troposferica persiste per almeno 30 giorni dall’inizio dell’evento SSW (data centrale, SSW CD), con evidenze di durate più lunghe in alcuni casi, come suggerito da analisi compositive su reanalisi come ERA5 o JRA-55 per il periodo 1979-2019.

Per circa due terzi degli eventi SSW analizzati (circa 17 su 26 eventi storici), il getto dell’Atlantico settentrionale si sposta verso l’equatore, un comportamento che corrisponde alla risposta canonica associata a una fase negativa dell’Oscillazione Nord Atlantica (NAO). Durante questi episodi, si osserva un’anomalia a dipolo della pressione al livello del mare (MSLP) sia nell’Atlantico che nel Pacifico, con il Pacifico che mostra un’estensione verso il polo e verso est del getto pacifico rispetto alla sua posizione climatologica. Tale configurazione è spesso preceduta da anomalie positive di MSLP nel Pacifico subtropicale, che amplificano la propagazione delle onde planetarie (principalmente wavenumber 1 e 2) verso la stratosfera, contribuendo all’indebolimento del vortice polare. Le eddie transitorie nell’Atlantico settentrionale vengono amplificate a sud della loro posizione climatologica dopo l’inizio dell’SSW, coerentemente con una struttura simmetrica zonale del getto atlantico. Questo fenomeno è supportato dalla convergenza del flusso di momento delle eddie (eddy momentum flux convergence), un indicatore dinamico della retroazione positiva delle eddie sul flusso medio, come evidenziato nei profili verticali della Figura S3a.

Un secondo tipo di risposta, osservato in circa un terzo degli eventi SSW (circa 9 su 26), è caratterizzato da uno spostamento del getto atlantico verso il polo, associato a una fase positiva della NAO. Questo impatto discendente degli SSW è accompagnato da un indebolimento del vento zonale nel Pacifico centrale e orientale, che riduce l’EKE a valle della traiettoria delle tempeste pacifiche, influenzando la propagazione delle onde sinottiche verso l’Atlantico. La convergenza del flusso di momento delle eddie nell’Atlantico settentrionale si allinea con la posizione del getto verso il polo (Figura S3b), suggerendo un feedback positivo delle eddie che rafforza questa configurazione, in linea con i meccanismi proposti da Barnes & Hartmann (2010). Tale pattern è spesso preceduto da un’anomalia negativa di MSLP nel Pacifico nord-occidentale, che modula la risposta troposferica attraverso la riflessione delle onde planetarie.

Questi due stati troposferici rispecchiano i due pattern dominanti di vortice polare debole identificati da Kretschmer et al. (2018), che correlano rispettivamente una fase negativa della NAO con un rafforzamento delle storm tracks equatoriali e una fase negativa dell’Oscillazione del Pacifico Occidentale (WPO) con un indebolimento delle perturbazioni pacifiche. Tali pattern possono essere ricondotti a meccanismi distinti di interazione stratosferica, come l’assorbimento o la riflessione dell’attività delle onde planetarie propagantesi verso l’alto, come proposto da Kodera et al. (2016). Per entrambe le risposte troposferiche, le anomalie delle eddie transitorie nella regione subtropicale Pacifico Orientale – Nord America tendono ad avere un segno opposto rispetto a quelle nelle latitudini medie dell’Atlantico settentrionale, come documentato nelle Figure 3 e 4. Questa asimmetria zonale suggerisce un ruolo modulatore del Pacifico nella risposta dell’Atlantico, aumentando la persistenza delle anomalie troposferiche attraverso meccanismi di teleconnessione.

Tale connessione dal Pacifico all’Atlantico è supportata da ricerche precedenti, che indicano come un’attività anomala delle storm tracks nella regione Pacifico Orientale – Nord America possa alterare la propagazione delle onde sinottiche dal Pacifico settentrionale all’Atlantico settentrionale. Studi di Drouard et al. (2015) e Rivière & Drouard (2015) evidenziano come queste onde possano influenzare il feedback delle eddie sul flusso medio nell’Atlantico settentrionale, determinando la posizione del getto atlantico e amplificando la risposta troposferica post-SSW. Questa interazione dinamica è mediata dalla convergenza di flusso di momentum e dalla variabilità della baroclinicità, con il Pacifico che funge da nodo critico nella teleconnessione atmosferica globale.Sebbene gli eventi di riscaldamento stratosferico improvviso (SSW) esercitino frequentemente un impatto marcato sulla circolazione troposferica, si riscontra una pronunciata variabilità inter-evento che complica la generalizzazione delle loro conseguenze atmosferiche. Questa eterogeneità ha portato alla stima che solo circa due terzi degli SSW osservati producano un’influenza discendente significativa sulla troposfera, un dato supportato da molteplici studi basati su reanalisi come ERA-Interim e ERA5 per periodi che coprono decenni (ad esempio, Charlton-Perez et al., 2018; Domeisen, 2019; Karpechko et al., 2017; Sigmond et al., 2013). Le risposte discendenti sono state frequentemente correlate ad anomalie stratosferiche, in particolare a valori negativi del Modo Anulare Settentrionale (NAM), un indice che riflette l’intensità del vortice polare e la sua influenza sulla pressione al livello del mare (Jucker, 2016; Karpechko et al., 2017; Runde et al., 2016). Queste anomalie stratosferiche, come il riscaldamento improvviso della stratosfera polare (fino a 50-60 K in pochi giorni), facilitano un “downward coupling” che modula le traiettorie delle tempeste troposferiche attraverso la propagazione di onde planetarie (wavenumber 1-2). Tuttavia, ricerche alternative suggeriscono che non emergano differenze significative nella struttura stratosferica tra eventi SSW con e senza impatto discendente, indicando che altri fattori troposferici potrebbero essere determinanti (ad esempio, Maycock & Hitchcock, 2015). I nostri risultati indicano che il tipo di risposta discendente è strettamente legato ad anomalie nell’est del Pacifico settentrionale, dove si osservano stati differenti di attività delle eddie transitorie tra i compositi SSW, a seconda che siano seguiti da uno spostamento del getto atlantico verso l’equatore o verso il polo. Tale evidenza suggerisce un forcing del Pacifico settentrionale che modula l’ampiezza e la direzione dell’impatto troposferico.

Nella maggior parte degli inverni boreali, l’occorrenza degli SSW tende a prevalere sugli effetti indotti da El Niño-Southern Oscillation (ENSO) sull’Atlantico settentrionale e sull’Eurasia, dominando la variabilità climatica regionale (Polvani et al., 2017). Tuttavia, il Pacifico settentrionale può esercitare un’influenza a valle sull’Atlantico attraverso il trasferimento di energia troposferica e momento, mediato da flussi di onde quasi-stazionarie e perturbazioni sinottiche (ad esempio, Li & Lau, 2012b; Schemm et al., 2018). In particolare, durante condizioni di La Niña, caratterizzate da acque fredde nel Pacifico orientale equatoriale, si osserva un incremento del flusso di attività delle onde quasi-stazionarie dal Pacifico all’Atlantico, che può favorire una fase positiva della NAO, mentre condizioni di El Niño tendono ad associarsi a una NAO negativa (Jiménez-Esteve & Domeisen, 2018). Nella nostra analisi, basata su un campione di 26 eventi SSW storici, cinque degli otto eventi privi di una risposta NAO negativa si sono verificati durante inverni di La Niña (1988/1989, 1998/1999 – con due eventi distinti, 2007/2008 e 2008/2009; vedi Tabella 1 in Domeisen et al., 2019), rispetto a soli cinque su 18 eventi associati a uno spostamento del getto atlantico verso l’equatore. Questo suggerisce che una combinazione di uno spostamento del getto verso il polo nell’Atlantico e condizioni di La Niña possa invertire l’impatto discendente della stratosfera, specialmente nell’Atlantico, un’ipotesi che richiede ulteriori indagini dato il ruolo di ENSO nel modulare la frequenza degli SSW (Domeisen et al., 2019).

Due eventi SSW recenti si sono verificati a metà febbraio 2018 (Karpechko et al., 2018; Kautz et al., 2019) e all’inizio di gennaio 2019 (Lee & Butler, 2019), offrendo casi studio significativi. L’evento del 2018 è stato seguito da una fase negativa forte e persistente della NAO (Lee & Butler, 2019), coerente con la risposta discendente canonica post-SSW, che si manifesta con un indebolimento del vortice polare e un rafforzamento delle alte pressioni sull’Atlantico settentrionale (Butler et al., 2017). Al contrario, l’evento del 2019 ha mostrato una NAO debolmente positiva, un’anomalia che diverge dalla risposta tipica. Questi due eventi si allineano con le classificazioni del getto atlantico definite nel presente studio: l’evento del 2018 è stato identificato come una risposta con spostamento del getto verso l’equatore, mentre l’evento del 2019 come uno spostamento verso il polo (Tabella 1). Queste osservazioni recenti evidenziano la complessità della dinamica SSW e il ruolo delle condizioni iniziali troposferiche nel determinare la traiettoria della risposta.