Aggiornamento QBO: novembre 2020
L’indice della QBO, conosciuto come “Oscillazione Quasi Biennale” o “Venti di Singapore”, `e un fenomeno atmosferico periodico che tende a svilupparsi nella bassa stratosfera equatoriale. Questo indice mette in evidenza l’oscillazione dei venti zonali equatoriali stratosferici che variano la loro direzione di provenienza, spirando alternativamente da est (“Easterlies”, indice QBO negativo) e da ovest (“Westerlies”, indice QBO positivo). Tale oscillazione si sviluppa all’incirca dai 45 °S ai 40 °N,ponendo però i suoi massimi tra i 10 °S e i 10 °N. Viene definita “quasi” a causa all’irregolarità del periodo, che varia dai 20 ai 36 mesi, con una media pari a circa 28-29 mesi. Il cambio di fase dei venti avviene inizialmente nella parte superiore della stratosfera inferiore, ovvero sopra i 30 km (<10 hPa), propagandosi poi, gradualmente, verso le quote inferiori alla velocità di circa 1 km al mese, fino a quando i venti non vengono dissipati entrando nella tropopausa tropicale.
L’effetto piu importante della QBO a livello stratosferico `e certamente quello di favorire il rimescolamento dello strato di ozono
QBO.U30.Index
11.15https://www.cpc.ncep.noaa.gov/data/indices/qbo.u50.index
QBO.U50.Index
8.09
https://www.cpc.ncep.noaa.gov/data/indices/qbo.u50.index
Il grafico mostrato sotto, evidenzia la media giornaliera dei venti zonali i quali vengono osservati due volte al giorno (per convenzione alle 00 Z ed alle 12 Z). il sistema lancia nell’ atmosfera un pallone gonfiato con elio a cui è collegata un’apparecchiatura, la radiosonda, dotata di sensori per la misura della velocità e direzione del vento nella colonna atmosferica. Ogni sonda è interpolata ad una griglia verticale di 0,5 km. Questi parametri sono misurati nella troposfera e nella bassa stratosfera, fino a circa 30 Km di quota .Per un pallone chiuso, da cui l’elio non può sfuggire, il diametro dell’involucro aumenta fino a un punto in cui viene superata la resistenza massima della pellicola di latex. Questa cede ed il pallone scoppia. La quota di scoppio dipende dalla resistenza dell’involucro e dal modo in cui il pallone viene gonfiato in partenza. Nel caso delle radiosonde lo scopo è di raggiungere l’altitudine desiderata. L’altitudine di scoppio è compresa tra 10 e 35 km di quota e dipende dalla stazione di radiosondaggio.Al di sopra dell’altitudine di scoppio, per riempire la griglia verticale vengono utilizzati i dati MERRA-2 o GEOS-FP. La linea nera mostra la tropopausa come calcolata dal tasso di decadimento. Le unità di misura sono identificate in metri al secondo.
https://acd-ext.gsfc.nasa.gov/Data_services/met/qbo/qbo.html
L’inversione dei venti da easterlies (venti orientali) a westerlies (venti occidentali) ha raggiunto entrambe le quote di riferimento. Azzardando una possibile tendenza per il periodo invernale basandoci esclusivamente su tale indice, come ben sappiano le westerlies tropicali tendono ad allargare la wave guide della planetary wave-guide nella bassa stratosfera extratropicale, favorendone una minore ampiezza d’onda e conseguentemente una minore convergenza verso le regioni polari e minori ampiezze d’onda presso queste zone. Inoltre, negli anni di bassa attività solare il vortice polare statisticamente tende ad essere debole e disturbato se si ha QBO-, ma più profondo e forte in caso di QBO+.tuttavia, e lo voglio segnalare in rosso, parliamo sempre di statistica e non sempre ciò che appare come una certezza poi risulta tale. Ad esempio, alcuni SSW si sono verificati in WQBO / La Nina. Più precisamente nel 1968, 1989, 2001, 2009 e 2018 … questo perché La Nina va ad amplificare il numero d’onda-2 nella stratosfera. Non resta che attendere e seguire come sempre l evoluzione.
Ruolo dell’oscillazione quasi biennale nel processo di accoppiamento
È ampiamente documentato che la troposfera abbia un forte effetto dinamico sulla stratosfera, principalmente attraverso la propagazione verso l’alto delle onde, sia delle onde di Rossby su larga scala a bassa frequenza (“onde planetarie”) e onde inerziali-gravitazionali ad alta frequenza.
Nella stratosfera tropicale, la caratteristica dominante della variabilità è rappresentata da un’inversione dei venti medi zonali nella stratosfera tropicale che prende il nome di QBO. Il cambio di fase dei venti avviene inizialmente nella parte superiore della stratosfera inferiore, ovvero sopra i 30 km (<10 hPa), propagandosi poi, gradualmente, verso le quote inferiori alla velocità di circa 1 km al mese, fino a quando i venti non vengono dissipati entrando nella tropopausa tropicale. Diversi studi e ricerche hanno mostrato come la QBO influenzi la circolazione stratosferica a livello globale modulando la forza e la stabilità del vortice polare invernale e la distribuzione dell’ozono e di altri gas presenti in atmosfera(Baldwin et al. 2001). La Figura 9.5 illustra lo schema della QBO durante l’inverno boreale (Baldwin et al. 2001). Nelle regioni tropicali, la QBO stratosferica viene guidata dalle onde gravitazionali che si propagano verso l’alto, dalle onde inerziali e dalle onde di Kelvin e Rossby, mentre nelle medie e alte latitudini, è guidata dalle onde planetariae. Come mostrato nel grafico, si può vedere che la QBO si estende fino alla regione mesosferica e anche oltre gli 80 km. La QBO è guidata dalla dissipazione di una grande varietà di onde equatoriali e gravitazionali che sono essenzialmente provocate dalla profonda convezione dei tropici.. Evidenze osservazionali mostrano che, nonostante l’ampiezza della QBO diminuisce rapidamente allontanandosi dall’equatore, quest ultima influenza aree molte estese al di fuori dell area tropicale. Gli effetti stratosferici della QBO tendono ad estendersi ed influenzare le aree prossime alla superficie terrestre durante l inverno boreale. Esistono anche prove osservazionali che dimostrano come la QBO moduli l altezza della troposfera tropicale e subtropicale , influenzando la convezione, i monsoni e gli uragani. . Evidenze osservazionali mostrano che anche se l’ampiezza della QBO diminuisce rapidamente allontanandosi dall’equatore, gli effetti di tale oscillazione influenzano vaste aree dell atmosfera. Attraverso l’assorbimento delle onde, la QBO influenza la stratosfera extratropicale durante la stagione invernale, soprattutto nell’emisfero settentrionale, dove le ampiezze delle onde risulta essere più grande. Questi effetti si manifestano anche nei quantitativi di ozono. Durante l’inverno boreale la qbo può influenzare la troposfera condizionando in tal modo il vortice polare.
Anche se la QBO si limita a circa 25◦ nord e sud dell’equatore, i suoi effetti si estendono in tutta la stratosfera (Naito e Hirota 1997).Si presume che il collegamento con la stratosfera extratropicale dipenda dalla modulazione delle onde a scala planetaria. Durante la stagione invernale, quando i venti stratosferici sono forti e occidentali, le onde a scala planetaria si propagano verso l’alto dalla troposfera e sono rifratte verso l’equatore nella stratosfera, a seconda delle caratteristiche dei venti medi zonali. Modulando la direzione e la riflessione/assorbimento delle onde a scala planetaria, la QBO induce un effetto remoto alle alte latitudini durante l inverno, specialmente nell’emisfero nord, dove le onde a scala planetaria sono più grandi. Il ciclo annuale della propagazione delle onde planetarie, insieme agli effetti causati dalla QBO, esercitano un effetto di modulazione nei confronti delle tempera ture, venti, ampiezze d’onda, vorticosità potenziale e i costituenti chimici come l’ozono, il biossido di azoto (Zawodny e McCormick 1991), gli aerosol, vapore acqueo e il metano. L’influenza della QBO è ben visibile anche nella variabilità annuale dello strato di ozono presente nelle regioni subtropicali durante la stagione invernale e primaverile in entrambi gli emisferi. In prossimità della mesopausa, le osservazioni mostrano una QBO ben definita, la quale può essere guidata attraverso le onde di gravità su piccola scala da parte dei venti sottostanti che esse attraversano. Chen e Robinson (1992) hanno documentato un collegamento statistico tra la fase della QBO e la ionizzazione equatoriale ionosferica.È stato ipotizzato un meccanismo in cui le onde planetarie modulano le maree atmosferiche e, per mezzo dell’effetto dinamo, vanno a modificare i campi elettrici nello strato E (Si estende fra i 90 e i 130 km di altitudine. Il gas ionizzato è l’ossigeno molecolare (O2). La velocità di ricombinazione è minore rispetto allo strato D e di notte permane una debole ionizzazione. Lo strato E può essere sfruttato per le trasmissioni fino ai 10 MHz. In condizioni di quiete è possibile avere un residuo di ionizzazione durante le ore notturne.) , che possono essere trasferiti nella regione F (Si estende fra i 130 e i 450 km di altitudine. Il gas ionizzato è l’ossigeno atomico (O). Di giorno lo strato F si divide in due ulteriori sottostrati, F1 (interno) ed F2 (esterno), in cui la ionizzazione assume proprietà differenti; sono detti “strati Appleton”, da Edward Victor Appleton che li studiò. Lo strato F1 si estende fino a circa 240 km e contiene principalmente ioni NO+, nello strato F2, che si estende oltre la quota di circa 240 km, sono presenti soprattutto ioni O+. La regione F è la più importante dal punto di vista delle comunicazioni HF perché in essa si raggiungono le massime concentrazioni di densità elettronica, che ne fanno la più spessa e la più riflettiva.) lungo le direttrici del campo geomagnetico per causare anomalie della ionizzazione equatoriale.
Effetti QBO sulla Troposfera
Gli effetti della QBO sulla troposfera risultano particolarmente interessanti, ma tuttavia non sono ancora sufficientemente comprensibili. Gray (1984) ha dimostrato un intrigante e significativo legame tra la fase della QBO e la formazione degli uragani. La troposfera equatoriale mostra una variabilità legata alle oscillazioni della QBO, ma non è stato stabilito un collegamento diretto con la QBO stratosferica. È possibile che la QBO possa influenzare la troposfera dell emisfero settentrionale alle alte latitudini attraverso la sua azione sul vortice polare stratosferico. Il legame tra il vento stratosferico medio e l’oscillazione dell’Atlantico settentrionale nella media troposfera, è forte, ma la causa e l’effetto non sono al momento chiari. È possibile che le anomalie del vento indotte dalla QBO negli strati più alti dell atmosfera vadano a discendere verso il basso nella troposfera (Gray 2003; Gray et al. 2004).Oscillazioni biennali della durata di 20-32 mesi si notano nella temperatura troposferica tropicale (Sathiyamurthy e Mohanakumar 2002).Questa oscillazione biennale della temperatura troposferica (TBO) è associata all’intensità delle piogge monsoniche. La temperatura nella regione tropicale mostra una oscillazione quasi biennale (QBO) nella bassa stratosfera . Le fasi della QBO e della TBO nella temperatura si incontrano in corrispondenza della tropopausa . Dove si incontrano, le fasi della QBO e della TBO non sono sincronizzate nel decennio 1971-1981 mentre sono sincronizzate nel decennio successivo, 1982-1992.Un improvviso riscaldamento stratosferico (SSW) è causato da una rapida amplificazione delle onde planetarie che si propagano dalla troposfera verso la stratosfera. Le onde planetarie depositano una quantità di moto ovest generando una forte circolazione meridionale che produce un vasto riscaldamento nella stratosfera polare a causa del riscaldamento adiabatico.In inverno, le onde planetarie che si originano in troposfera, si propagano nella stratosfera per mezzo della corrente a getto occidentale. Al contrario, le anomalie dei venti medi zonali si propagano dalla stratosfera subtropicale superiore alla stratosfera polare inferiore e alla troposfera durante l’inverno boreale.È stato dimostrato che le onde di superficie si verificano in presenza di anomalie del vento medio zonale le quali si propagano lentamente, e che i cambiamenti associati nella troposfera hanno una struttura ad anello (Kodera et al. 2000).Baldwin e Dunkerton (1999) hanno dimostrato che le variazioni verticali della struttura del NAM durante l’inverno presentano tipicamente una propagazione verso il basso dalla stratosfera centrale alla troposfera in associazione con i SSW. La maggior parte della variabilità che si verifica nella stratosfera è associata a variazioni dovute al movimento delle onde su larga scala, che è fortemente associata al verificarsi di riscaldamenti stratosferici. Nella troposfera la guida d onda è necessaria anche per spostare la corrente a getto occidentale di latitudine, ma questa guida è data dalle onde barocliniche transitorie e dalle onde planetarie quasi stazionarie. Sebbene la variabilità anulare stratosferica e la variabilità anulare troposferica siano talvolta accoppiate, le variazioni anulari troposferiche si verificano anche indipendentemente dalle variazioni anulare stratosferiche (Kodera e Kuroda 2000).Sembrerebbe che le onde quasi-barotropiche a bassa frequenza siano importanti al fine di favorire le variazioni della polarità delle modalità di variazione anulare nella troposfera, ma le onde barocliniche ad alta frequenza sono vitali per mantenere la persistenza di queste anomalie (Lorenz e Hartmann 2001, 2003).Segni di oscillazioni biennali con periodi che vanno dai 20 ai 32 mesi si notano nella temperatura troposferica sopra i tropici (Sathiyamurthy e Mohanakumar 2002).
La forza del vortice polare stratosferico influenza la circolazione nella troposfera. . Il vortice polare è una caratteristica del periodo invernale che caratterizza la stratosfera. Composto da venti che girano in senso antiorario sopra il polo, la forza del vortice varia di intensità a causa delle interazioni con le onde planetarie generate nella troposfera. Il vortice polare agisce come un grande volano. Quando si indebolisce, tende a rimanere debole per un po’ di tempo. È stata notata una forte connessione tra i periodi in cui il vortice polare è debole e le insorgenze di gravi ondate di freddo nell’emisfero settentrionale.