On the influence of the stratospheric quasi-biennial oscillationon the mesopause zonal wind over Central Europe

L’influenza dell’oscillazione quasi-biennale stratosferica sul vento zonale della mesopausa sopra l’Europa Centrale

H. JACOBI, R. SCHMINDER e D. KÜRSCHNER, Lipsia

Sommario. Le misurazioni ad altezze della mesopausa (circa 95 km) mostrano una correlazione tra il vento zonale prevalente e l’oscillazione quasi-biennale equatoriale (QBO). In inverno e primavera si riscontra una correlazione positiva tra i venti QBO e il vento zonale prevalente alle altezze della mesopausa, che tuttavia è significativa solo in dicembre e aprile. Si suppone che negli altri mesi invernali il campo del vento della mesopausa sia parzialmente disturbato da riscaldamenti stratosferici, che possono mascherare una possibile correlazione. In estate, non si trova alcuna influenza significativa della QBO sul vento zonale prevalente.

Der Einfluß der QBO auf den zonalen Wind im Mesopausenbereich über Mitteleuropa (52°N, 15°E) in Collm

Zusammenfassung. Le misurazioni nella regione della mesopausa (circa 95 km di altezza) dimostrano che esiste una relazione tra il vento zonale di base e la fase dell’oscillazione quasi-biennale (QBO). In inverno e primavera, la correlazione è positiva, con legami significativi trovati solo per dicembre e aprile. Si presume che nei restanti mesi invernali, le perturbazioni dovute ai riscaldamenti stratosferici possano nascondere un’eventuale correlazione. In estate, non è rilevabile alcun impatto significativo della QBO sul vento zonale di base.

1. Introduzione Diversi studi hanno dimostrato che l’oscillazione quasi-biennale equatoriale (QBO) nella stratosfera ha una certa influenza sulla stratosfera extratropicale. HOLTON e TAN (1980, 1982) hanno scoperto che durante la fase occidentale del QBO il vortice stratosferico è più forte rispetto alla fase orientale. LABITZKE e VAN LOON (1988, 1989, 1992) hanno mostrato che questa correlazione è più complessa a causa della connessione tra l’occorrenza di riscaldamenti stratosferici, il ciclo solare e il QBO. Hanno trovato che negli anni di alta attività solare i maggiori riscaldamenti stratosferici si verificano preferibilmente negli anni del QBO occidentale, mentre negli anni di bassa attività solare i maggiori riscaldamenti sono presenti solo negli anni del QBO orientale. CHANIN et al. (1989) hanno dimostrato che la risposta della temperatura della mesosfera e della termosfera inferiore al ciclo solare dipende dal QBO ed è diversa dalla risposta alle altezze stratosferiche. Pertanto, è di interesse rilevare possibili reazioni di ulteriori parametri meteorologici della mesopausa, ad esempio il vento, al QBO. SPRENGER e SCHMINDER (1967) hanno trovato un’oscillazione di 26 mesi nella mesosfera; più di recente, una tale oscillazione è stata rilevata da NAMBOOTHIRI et al. (1994), ma non vi era una chiara connessione della fase dell’oscillazione del vento prevalente della mesopausa con la fase del QBO. Inoltre, sembrava esserci alcuni cambiamenti di fase, possibilmente dovuti a un cambiamento della lunghezza del periodo. JACOBI et al. (1996) hanno scoperto che in inverno, durante la fase occidentale del QBO, il vento zonale prevalente mesosferico non disturbato, che non è influenzato dai riscaldamenti stratosferici, è maggiore rispetto alla fase orientale. Questa correlazione, tuttavia, è valida solo in senso statistico e i risultati dei singoli inverni possono differire. KANE (1995) ha dimostrato la presenza del QBO nelle frequenze critiche foE e foF2, ma ha sottolineato che il meccanismo responsabile di questa connessione non è ancora compreso. Sono stati fatti alcuni sforzi per modellare l’influenza del QBO sulla formazione di riscaldamenti stratosferici e la sua influenza sull’atmosfera media (ad esempio, DAMERIS 1988, DAMERIS e EBEL 1990). Tuttavia, queste indagini non hanno per lo più trattato le situazioni non disturbate. BALACHANDRAN e RIND (1995) hanno investigato l’influenza del QBO sull’atmosfera media con l’aiuto di un modello di circolazione generale che, tuttavia, si estendeva solo fino a 80 km di altezza. Questo causa alcuni problemi quando i loro risultati devono essere confrontati con misurazioni della mesopausa.

Utilizzando i valori medi mensili del vento zonale prevalente misurati all’Osservatorio di Collm, verrà indagata l’influenza della QBO sulla dinamica della mesopausa. A differenza di quanto fatto da JACOBI et al. (1996), utilizzeremo tutti i dati, includendo anche i venti misurati durante i periodi disturbati in inverno. Facendo ciò, bisogna tenere presente che durante i periodi di campo del vento disturbato i valori medi possono in parte non essere molto significativi. Se, per esempio, durante un mese, forti venti occidentali sono seguiti da venti orientali in connessione con un evento di riscaldamento stratosferico, la media mensile potrebbe non mostrare nessuno di questi due effetti. D’altra parte, una grande parte della variabilità interannuale è dovuta ai riscaldamenti stratosferici e al campo del vento disturbato ad essi correlato (ad esempio, LAUTER e SCHMINDER 1976). Inoltre, i valori medi mensili sono utili per confrontare il vento in anni differenti, e evitiamo la soggettività risultante dalla selezione dei periodi disturbati.

2. Descrizione delle misurazioni della mesopausa e del dataset QBO

Il campo del vento della regione superiore della mesopausa è costantemente osservato presso l’Osservatorio di Collm dell’Università di Lipsia attraverso misurazioni giornaliere del vento radio in Dl nella gamma LF, utilizzando le onde riflesse ionosferiche di trasmettitori radio commerciali. Le misurazioni sono effettuate secondo la tecnica dei ricevitori vicini e un algoritmo modificato del metodo di attenuazione simile è utilizzato per interpretare le misurazioni del vento. Includendo i risultati delle misurazioni individuali del vento su tre frequenze (177, 225 e 270 kHz), vengono calcolati valori medi che si riferiscono a un punto medio di riflessione a 52°N, 15°E. Il periodo di misurazione quotidiano è limitato ai tempi notturni e crepuscolari, poiché durante il giorno l’assorbimento dell’onda celeste è troppo elevato. Tuttavia, in inverno, sono possibili misurazioni diurne. Dal settembre 1982 l’altezza di riflessione è misurata a 177 kHz utilizzando le differenze di tempo di percorrenza tra l’onda di terra e l’onda celeste.

Un’analisi di regressione multipla con coefficienti dipendenti dall’altezza è usata per determinare i componenti del campo del vento predominante mensile e semimensile e del vento di marea dai valori medi semiorari delle componenti del vento zonale e meridionale misurate. La selettività spettrale della separazione del vento predominante e di marea è stata migliorata adattando i valori misurati per le due componenti del vento orizzontale in termini di un vettore. I profili coprono approssimativamente un intervallo di altezza da 85 a 105 km. In questa indagine usiamo principalmente i valori medi mensili del vento predominante zonale a un’altezza di 95 km dal settembre 1982 al ottobre 1995.

I dati QBO sono stati forniti dall’Istituto di Meteorologia della Libera Università di Berlino, Germania. I dati sono valori medi mensili ai 7 livelli di pressione 70, 50, 40, 30, 20, 15 e 10 hPa. I dati non sono stati ulteriormente elaborati.

La Figura 1 illustra una sezione trasversale che mostra la correlazione tra il vento zonale predominante a livelli di mesopausa e i venti equatoriali stratosferici. I dati utilizzati sono stati filtrati attraverso un filtro passa-basso per evidenziare variazioni a lungo termine. L’altezza è rappresentata come livelli di pressione in hPa, dove numeri più bassi corrispondono a quote maggiori.

L’asse orizzontale mostra il time-lag in mesi, indicando il ritardo o l’anticipo delle variazioni del vento zonale predominante rispetto ai cambiamenti nei venti stratosferici equatoriali. I valori positivi del time-lag suggeriscono che le variazioni nel vento zonale predominante avvengono prima di quelle dei venti QBO stratosferici.

Le diverse sfumature nella mappa rappresentano i coefficienti di correlazione, variando da -0.6 a +0.6. Le aree più scure indicano una forte correlazione diretta, mentre le aree più chiare indicano una forte correlazione inversa. Le linee di contorno bianche aiutano a identificare meglio i livelli di correlazione costante.

Questa visualizzazione è essenziale per analizzare come le variazioni dei venti nella mesopausa possono essere correlate o prevedere cambiamenti nei venti stratosferici equatoriali, importanti per la dinamica atmosferica e la modellazione climatica.

La Figura 2 mostra la funzione di filtro del filtro Lanczos utilizzato per analizzare i dati di vento zonale e i dati V40. Questo grafico visualizza l’efficacia del filtro nel passare il segnale in base al periodo, misurato in mesi.

Sull’asse orizzontale, il grafico rappresenta il periodo in mesi, mentre l’asse verticale mostra l’intensità con cui il filtro lascia passare il segnale. Una caratteristica chiave di questa figura è il periodo di taglio a 18 mesi, che rappresenta il limite oltre il quale il filtro inizia a ridurre significativamente la componente del segnale. Per periodi più brevi di 18 mesi, il filtro permette al segnale di passare quasi completamente, mantenendo quindi i dettagli a breve termine. Per periodi più lunghi, il filtro intensifica l’attenuazione, smorzando le variazioni a lungo termine e i rumori che potrebbero interferire con l’analisi precisa dei dati di vento.

Questa configurazione del filtro è essenziale per preservare le informazioni vitali relative alle oscillazioni più rapide, eliminando al contempo influenze indesiderate che emergono su scale temporali più estese.

3. La correlazione tra l’Oscillazione Quasi-Biennale (QBO) e il vento zonale prevalente in mesosfera

3.1 Correlazione generale

Le funzioni di correlazione tra il vento zonale prevalente Voz a un’altezza di 95 km e i venti equatoriali a diverse altezze sono mostrate nella Figura 1 sotto forma di una sezione trasversale altezza-tempo-ritardo, con l’altezza espressa in livelli di pressione. I dati sui venti utilizzati sono medie mensili, che sono state filtrate con un filtro passa-basso di Lanczos con 24 pesi e un periodo di taglio di 18 mesi per eliminare le variazioni intra-annuali. La funzione di filtro F è mostrata nella Figura 2. Le variazioni con periodi inferiori ai 12 mesi sono quasi completamente filtrate. Per calcolare le funzioni di correlazione, i dati sono stati detrendizzati. I valori positivi del ritardo di fase significano che le variazioni di V_oz precedono quelle dei venti equatoriali. Si può osservare dalla Figura 1 che, per quanto riguarda il vento equatoriale V₄₀ a circa 40 hPa (che è a circa 22 km di altezza), i valori massimi del coefficiente di correlazione appaiono se il ritardo temporale tra V_oz e V₄₀ è zero. Questo significa che le variazioni di Voz e il vento equatoriale ad altezze vicine ai 40 hPa sono in fase, mentre a strati superiori all’interno della stratosfera le variazioni del vento QBO precedono le variazioni di Voz. Nella Figura 1 è indicato che l’QBO equatoriale a 10 hPa precede le variazioni del vento della mesopausa di circa 10 mesi. La variazione del ritardo di fase con l’altezza riflette la propagazione verso il basso del regime di vento QBO (vedi, ad esempio, NAUJOKAT 1986). Conseguentemente, per evitare effetti dovuti a un ritardo di fase, utilizziamo V₄₀, il vento a 40 hPa, per indagare una possibile correlazione tra QBO e i venti della mesopausa. Il coefficiente di correlazione massimo utilizzando questi dati raggiunge solo 0.59, che non è molto elevato. Tuttavia, il pattern dei coefficienti di correlazione positivi e negativi nella Figura 1 appare molto regolare, quindi si può supporre qualche correlazione tra QBO e il vento della mesopausa. Le serie temporali di V_oz filtrato e del vento equatoriale filtrato V₄₀ sono mostrate nel pannello superiore della Figura 3. È evidente che durante la fase occidentale del QBO, che definiamo successivamente come il periodo in cui si trovano valori positivi di V40, in generale il vento zonale prevalente V_oz è più forte che durante la fase orientale, ma ci sono alcune caratteristiche sovrapposte, in particolare una variazione con un periodo più breve di circa 1,5 anni. Pertanto, si può supporre la presenza di due oscillazioni, il QBO stesso e una possibile oscillazione annuale. Questo sarà indagato più dettagliatamente di seguito. Il numero di macchie solari di Zurigo, mediato su 13 mesi, R è aggiunto nel pannello inferiore. A prima vista, non si può vedere un’influenza significativa di R sull’interazione QBO-voz, anche se sembra che durante il massimo solare il blocco di fase della variazione del vento della mesopausa con il QBO sia più forte. Tuttavia, poiché sono mostrati solo quattro cicli del QBO nella Figura 3, queste variazioni di fase possono essere fortuite.

La figura 3 mostra due grafici correlati alle variazioni del vento nella stratosfera e l’attività solare misurata attraverso il numero di macchie solari.Pannello Superiore

Questo grafico rappresenta le serie temporali dei venti: il vento zonale prevalente (V_oz) e il vento equatoriale (V_40) a circa 40 hPa. Le linee mostrano le velocità del vento che oscillano tra est (indicato con “E”) e ovest (indicato con “W”). Si osserva un ciclo periodico, noto come l’Oscillazione Quasi-Biennale (QBO), in cui la direzione del vento cambia da est a ovest e viceversa. Questi dati sono stati filtrati tramite un filtro passa-basso per concentrarsi sulle tendenze a lungo termine, eliminando le variazioni a breve termine.

Pannello Inferiore

Il grafico mostra il numero di macchie solari di Zurigo, mediato su 13 mesi, che varia nel periodo dal 1984 al 1994. Il numero di macchie solari è un indicatore dell’attività solare, e il grafico evidenzia le fluttuazioni periodiche, con picchi che possono corrispondere ai massimi di attività solare.

Correlazione tra i grafici

Anche se il testo associato suggerisce che l’influenza diretta del numero di macchie solari sull’interazione QBO-vento non è evidente dalla figura, durante i picchi di attività solare si osserva un allineamento più marcato delle fasi di QBO. Questo suggerisce che durante i massimi solari, le variazioni di fase dei venti rispetto al QBO potrebbero essere più accentuate. Tuttavia, considerando che sono rappresentati solo quattro cicli di QBO, ogni possibile correlazione con l’attività solare potrebbe essere coincidenziale.

Questa figura è fondamentale per analizzare la possibile relazione tra la dinamica atmosferica, specificamente i venti stratosferici, e l’attività solare, sebbene conclusioni più definitive richiedano ulteriori indagini.

La Figura 4 illustra le serie temporali dei valori medi del vento zonale prevalente (V_oz) a un’altezza di 95 km durante le stagioni estiva (giugno-agosto) e invernale (dicembre-febbraio) su un periodo che va dal 1983 al 1995.Pannello Superiore

Il pannello superiore mostra i valori medi estivi del vento zonale prevalente (V_oz) a un’altezza di 95 km. I triangoli pieni indicano le fasi del QBO Ovest, mentre i triangoli vuoti rappresentano le fasi del QBO Est. Queste fasi sono definite in base al vento zonale equatoriale medio a 40 hPa. Si osserva un incremento generale della velocità del vento, da circa 10 m/s nel 1983 a quasi 20 m/s nel 1995, con una tendenza più marcata durante le fasi Ovest del QBO.

Pannello Inferiore

Il pannello inferiore mostra i valori medi invernali del V_oz. Come nel pannello superiore, i simboli indicano le fasi Ovest (triangoli pieni) ed Est (triangoli vuoti) del QBO. In questo caso, la variabilità dei venti è meno pronunciata rispetto all’estate, con una leggera tendenza alla crescita nel periodo osservato, ma con fluttuazioni meno significative tra le fasi Ovest ed Est.

Interpretazione

Questi grafici evidenziano la stagionalità e la variabilità del V_oz in relazione alle fasi del QBO, mostrando una differenza significativa nella dinamica del vento tra estate e inverno. Durante l’estate, i venti tendono a essere più forti e mostrano un maggiore contrasto tra le fasi del QBO, mentre in inverno, le variazioni sono più moderate. Questa analisi è cruciale per comprendere come il QBO influenzi la circolazione atmosferica a queste altezze in differenti periodi dell’anno.

Variabilità intra-annuale

Per esplorare in modo dettagliato la dipendenza dei dati di V_oz dal QBO, abbiamo analizzato dati non filtrati per individuare differenze significative nel corso dell’anno. La Figura 4 mostra la variazione a lungo termine di Voz durante le stagioni estive e invernali, estendendosi dal 1982 al 1995. Le fasi del QBO sono indicate con triangoli pieni per la fase ovest e triangoli vuoti per la fase est. È importante notare le possibili incertezze nella classificazione degli anni nelle fasi del QBO, in particolare per l’inverno 1993/94, durante il quale i venti equatoriali sono risultati solo lievemente negativi.

Un’ulteriore indagine ha mostrato che la V_oz è influenzata dal ciclo solare, come confermato da diversi studi. La risposta dei venti della mesopausa all’attività solare, tuttavia, varia nel corso dell’anno. Di conseguenza, ogni mese è stato esaminato separatamente per identificare possibili tendenze a lungo termine e influenze del ciclo solare. I risultati, presentati nella Figura 5, includono i valori medi di Voz per ciascun mese, con le barre che rappresentano la deviazione standard.

I risultati evidenziano il tipico andamento stagionale del vento zonale, con valori positivi in estate e inverno e negativi in primavera e parte dell’autunno. I valori dei coefficienti, che indicano la forza e la direzione del trend, sono stati significativi al 95% per la loro importanza statistica, mostrando una variazione nel trend rispetto a periodi di studio precedenti, possibilmente dovuta alle diverse finestre temporali considerate nelle analisi.

Il pannello più in basso, e), mostra le differenze ΔV tra i valori medi del vento zonale prevalente durante la fase ovest e durante la fase est del QBO, dopo che la tendenza e la dipendenza dal ciclo solare sono state eliminate dalle medie mensili corrispondenti. Sono stati utilizzati solo dati con un vento equatoriale superiore a ±1 ms⁻¹, quindi, ad esempio, il valore di dicembre 1993 è stato escluso. I cerchi pieni denotano differenze significative al livello del 95%. Per confronto, il Δv dei dati originali è aggiunto nel pannello b). Valori positivi indicano che durante la fase ovest un Voz da ovest (da est) è più forte (più debole) rispetto alla fase est. Nei mesi estivi non si trovano differenze significative. Pertanto, i risultati di Namboothiri et al. (1994), che avevano trovato anche in estate valori di Voz maggiori durante la fase ovest del QBO rispetto alla fase est, non possono essere riprodotti. In inverno, tuttavia, la Figura 5 mostra che il Voz è circa 2 ms⁻¹ maggiore durante la fase ovest rispetto alla fase est del QBO, ma queste differenze sono significative solo a dicembre, mentre in gennaio e febbraio le differenze medie sono minori e non statisticamente significative. Una possibile spiegazione di questa mancanza di significatività è l’occorrenza di riscaldamenti stratosferici, che disturbano il campo dei venti soprattutto in gennaio e febbraio, ma sono più raramente trovati a dicembre. Questi riscaldamenti influenzano parzialmente il sistema dei venti alle altezze della mesopausa e talvolta possono perfino risultare in un’inversione del vento zonale.Il collegamento tra la stratosfera e la mesopausa, fornito dai riscaldamenti, è tuttavia variabile. Alcuni eventi di riscaldamento, ad esempio il grande riscaldamento di gennaio e febbraio 1989, non sembrano raggiungere la mesopausa. A quella quota, il riscaldamento è compensato da una mesopausa particolarmente fredda e ciò è associato a forti venti occidentali. La maggior parte degli eventi, però, come ad esempio negli inverni 1986/87 o 1990/91, sono collegati a venti zonali più deboli. Questo sovrappone una possibile influenza diretta del QBO su V_oz in modo tale che la differenza dei venti della mesopausa durante le fasi ovest ed est non sia significativa.

Questa diversa reazione del vento della mesopausa al QBO in dicembre e gennaio/febbraio è mostrata anche nella Figura 6. Il vento zonale della mesopausa è mostrato in dipendenza dal vento equatoriale. I valori medi per QBO ovest e QBO est sono aggiunti come linee orizzontali, insieme alla deviazione standard. Nel pannello superiore, il valore del 1993 non è stato incluso nel calcolo dei valori medi. Nonostante si riscontri una certa variabilità interannuale, le differenze significative tra la fase ovest e la fase est del QBO, dopo che la tendenza e la dipendenza dal ciclo solare sono state eliminate dalle medie mensili rispettive, sono state evidenziate. Sono stati utilizzati solo dati con un vento equatoriale superiore a ±1 ms⁻¹, pertanto, ad esempio, il valore di dicembre 1993 è stato escluso. I cerchi pieni denotano differenze significative al livello del 95%. Per confronto, il Δv dei dati originali è aggiunto nel pannello b).

Valori positivi indicano che durante la fase ovest un V_oz da ovest (da est) è più forte (più debole) rispetto alla fase est. Nei mesi estivi non si trovano differenze significative. Pertanto, i risultati di Namboothiri et al. (1994), che avevano trovato anche in estate valori di Voz maggiori durante la fase ovest del QBO rispetto alla fase est, non possono essere riprodotti. In inverno, tuttavia, la Figura 5 mostra che il Voz è circa 2 ms⁻¹ maggiore durante la fase ovest rispetto alla fase est del QBO, ma queste differenze sono significative solo quando l’interferenza tra QBO ovest e QBO est è statisticamente significativa. In gennaio e febbraio la variazione interannuale è maggiore. Per esempio, nel 1989 il vento zonale è particolarmente forte, mentre nel 1991 è basso. Sebbene in entrambi gli inverni si siano verificati importanti riscaldamenti stratosferici, solo nel secondo caso il riscaldamento ha raggiunto la mesopausa.

In marzo e aprile, il vento zonale prevalente è principalmente diretto verso ovest, poiché le correnti orientali mesosferiche raggiungono le altezze della mesopausa in questi mesi. Il valore positivo di öv nella Figura 5 potrebbe quindi suggerire che le correnti orientali mesosferiche sono più forti durante la fase est del QBO. Questo sarebbe in accordo con i risultati dei modelli (Balachandran e Rind 1995). In marzo la differenza Öv non è statisticamente significativa. Durante questo mese solitamente il campo dei venti cambia dalle condizioni invernali alla reversibilità primaverile di V_oz e mostra un’elevata variabilità interannuale, ad esempio a causa dell’inizio precoce o tardivo del riscaldamento finale. Pertanto, la differenza media di V_oz tra la fase ovest e est del QBO, sebbene anche maggiore del valore di dicembre, non è significativa in senso statistico.

La Figura 5 illustra l’effetto del Quasi-Biennial Oscillation (QBO) e le dipendenze dai cicli solari e dalle tendenze temporali sui venti zonali prevalenti a un’altezza di 95 km, utilizzando i dati raccolti tra settembre 1982 e ottobre 1995. Ogni pannello fornisce informazioni specifiche:

1. Pannello a): Mostra i valori medi mensili del vento zonale prevalente a 95 km di altezza. Le barre indicano la deviazione standard di questi valori, evidenziando la variabilità del vento per ogni mese.
2. Pannello b): Presenta la differenza Δv dei valori medi di V_oz tra le fasi ovest ed est del QBO. Questo pannello evidenzia le variazioni del vento zonale in risposta alle diverse fasi del QBO, con differenze notabili in alcuni mesi specifici.
3. Pannello c): Visualizza i valori mensili del coefficiente b (trend) dall’Equazione (1). Questi valori indicano la presenza di una tendenza temporale generale nell’intensità del vento zonale, che può aumentare o diminuire nel corso degli anni.
4. Pannello d): Mostra i valori mensili del coefficiente c (dipendenza dal ciclo solare) dall’Equazione (1). Questo coefficiente riflette come l’attività solare influisca sul vento zonale, mostrando come le variazioni possano essere collegate all’intensità del ciclo solare.
5. Pannello e): Simile al pannello b, ma con l’eliminazione dell’effetto delle tendenze temporali e della dipendenza dal ciclo solare dai dati di V_oz. Questo isolamento permette di focalizzarsi sull’effetto del QBO sulle differenze di Voz tra le fasi ovest ed est, eliminando altri fattori esterni che potrebbero influenzarle.

In generale, questa figura fornisce un’analisi comprensiva di come diversi fattori influenzino i venti zonali a una specifica altitudine atmosferica, offrendo una visione approfondita delle dinamiche atmosferiche su base mensile e stagionale.

La Figura 6 mostra i valori medi mensili del vento zonale in dicembre e in gennaio/febbraio, in funzione del vento equatoriale a 40 hPa, con una distinzione basata sulla fase del QBO (Ovest ed Est). Di seguito una spiegazione dettagliata dei componenti della figura:

1. Assi Coordinati:
   • L’asse orizzontale rappresenta il vento equatoriale a 40 hPa. I valori a sinistra indicano venti diretti verso est, mentre quelli a destra indicano venti diretti verso ovest.
   • L’asse verticale mostra la velocità del vento zonale, con valori più alti che indicano venti più forti e valori più bassi che indicano venti più deboli.
2. Punti Dati:
   • Ogni punto rappresenta il valore medio del vento zonale per un anno specifico, con l’anno indicato vicino al punto.
   • I punti sono organizzati in due colonne per ciascun mese, in base alla fase del QBO: QBO Est sulla sinistra e QBO Ovest sulla destra.
3. Linee Orizzontali:
   • Le linee orizzontali mostrano i valori medi del vento zonale per le fasi ovest ed est del QBO, con la deviazione standard rappresentata dalle barre di errore, offrendo una visione chiara del comportamento medio del vento durante queste fasi.
4. Distribuzione e Tendenze:
   • In dicembre, la distribuzione dei punti suggerisce che il vento zonale tende ad essere più forte durante la fase ovest del QBO rispetto alla fase est.
   • In gennaio/febbraio, l’ampiezza della variazione interannuale è maggiore, e non si osservano differenze chiare e coerenti come in dicembre, indicando un’influenza maggiore di altri fattori meteorologici o climatici durante questi mesi.

Questa figura è utile per analizzare come il vento zonale varia in relazione alla fase del QBO e come queste variazioni si manifestano in diversi mesi invernali, sottolineando l’importanza di considerare fenomeni atmosferici a grande scala come il QBO nel comprendere le dinamiche del vento a varie altitudini.

3.3. Spettri di potenza

Dai risultati mostrati nella Figura 5, si osserva che la risposta del vento zonale prevalente V_oz al QBO non si limita a seguire i venti stratosferici equatoriali. Per esplorare ulteriormente, gli spettri di potenza di V₄₀ e V_oz sono illustrati nella Figura 7. I dati dei venti equatoriali sono stati corretti per eliminare tendenze a lungo termine, mentre per i dati dei venti alla mesopausa sono state rimosse le variazioni dovute al trend e all’attività solare. Questo trattamento è stato applicato separatamente per ciascun mese, filtrando così la maggior parte delle variazioni che si verificano all’interno dell’anno. Le linee orizzontali rappresentano il livello di significatività del 99%.

Il periodo medio del QBO, secondo studi di lunga durata, è di circa 28 mesi, ma in questo caso specifico, si osserva un periodo medio di circa 30 mesi. Data la lunghezza totale di 158 mesi della serie di dati analizzata, il picco visibile non coincide esattamente con la frequenza reale. Di conseguenza, lo spettro di V₄₀ mostra solo approssimativamente il periodo associato al QBO. Lo spettro di V_oz mostra una gamma continua di periodi con notevole variazione tra circa 30 e 50 mesi, con un ulteriore picco intorno ai 18 mesi. Quest’ultimo potrebbe riflettere l’influenza stagionale variabile del QBO sul vento zonale della mesopausa, interpretata come interazione tra il QBO e un ciclo annuale.

La Figura 7 mostra i grafici che rappresentano le variazioni nel tempo dei venti a due diversi livelli atmosferici, permettendo di identificare i periodi durante i quali i venti sono stati più variabili.

1. Asse verticale: Indica la varianza dei venti, mostrata in una scala logaritmica. Questo aiuta a evidenziare le differenze anche quando sono molto marcate tra vari periodi.
2. Asse orizzontale: Rappresenta la lunghezza del periodo in mesi, estendendosi da 12 a 60 mesi, che aiuta a comprendere su quale scala temporale i fenomeni atmosferici diventano significativi.
3. Linee di significatività: Le linee orizzontali rappresentano un livello di significatività del 99%, indicando che i picchi sopra queste linee hanno una bassa probabilità di essere risultati di fluttuazioni casuali.
4. Curva con i quadrati (Vento a 40 hPa): Mostra un picco significativo intorno ai 30 mesi, che si allinea con la durata media dell’Oscillazione Quasi-Biennale, un importante fenomeno climatico che influisce su questo strato atmosferico.
5. Curva con i cerchi (Vento zonale a livelli di mesopausa): Presenta una variazione più ampia nei periodi, con una varianza notevole che si estende tra i 30 e i 50 mesi e un picco distinto intorno ai 18 mesi. Quest’ultimo suggerisce un’influenza stagionale, potenzialmente dovuta all’interazione tra il ciclo annuale e l’Oscillazione Quasi-Biennale.

Questa analisi rivela che la risposta del vento zonale prevalente a livelli di mesopausa non è solamente una semplice oscillazione con il ciclo del QBO, ma mostra una complessità maggiore, indicativa di interazioni con altri cicli atmosferici.

4. Conclusioni

Dalle Figure 3 e 6, emerge una dimostrazione dell’influenza del QBO sul vento zonale prevalente a latitudini medie nella mesopausa, misurato all’Osservatorio di Collm dell’Università di Lipsia, in Germania, sebbene con alcune limitazioni. Il vento zonale prevalente nella mesopausa si allinea con il QBO, rappresentato dal vento equatoriale zonale a circa 40 hPa. Tuttavia, poiché la risposta del vento nella mesopausa al QBO è influenzata dalla stagionalità, la correlazione complessiva non risulta molto forte, come evidenziato nella Figura 1.

Nella prima primavera, il vento è più intenso durante la fase occidentale del QBO rispetto a quella orientale. Questo suggerisce un possibile legame tra il QBO e il getto mesosferico estivo, che in primavera si estende fino all’altezza misurata. Tuttavia, queste osservazioni richiedono cautela, dato che in primavera il campo dei venti è notevolmente variabile. Durante l’estate, non si osserva una correlazione significativa tra il QBO e il vento zonale prevalente, suggerendo che una potenziale risposta del vento prevalente della mesosfera estiva al QBO non si estenderebbe fino alla mesopausa.

Pertanto, piuttosto che nel vento zonale prevalente stesso, una possibile dipendenza del QBO sarebbe attesa nel gradiente di altezza del vento, ma questa non è stata rilevata. Di conseguenza, qualsiasi ipotesi sulla dipendenza dei venti mesosferici estivi dal QBO rimane speculativa e non verificabile con i dati disponibili.

In inverno, il vento zonale prevalente è più forte durante la fase occidentale del QBO rispetto alla fase orientale. Questa differenza è statisticamente significativa per dicembre, ma non per gennaio e febbraio. Questo potrebbe essere dovuto alla risposta dinamica variabile della mesopausa ai riscaldamenti stratosferici, che tendono a verificarsi più frequentemente a metà e fine inverno e meno frequentemente a dicembre. Non è stata rilevata una dipendenza del QBO dal ciclo solare. Tuttavia, questo implica che la correlazione tra il QBO e la dinamica della mesopausa potrebbe derivare da cause diverse rispetto al collegamento tra il QBO e la stratosfera extratropicale, trovato da LABITZKE e VAN LOON (1988, 1989, 1992), e, al contrario, la variabilità stratosferica sovrappone parzialmente gli effetti osservati nella mesopausa.

Ringraziamenti Questa ricerca è stata supportata dalla “Deutsche Forschungsgemeinschaft” (Fondazione Scientifica Tedesca) sotto il contratto Schm 981 12-1. I dati dei venti QBO equatoriali sono stati forniti dall’Istituto di Meteorologia della Libera Università di Berlino, Germania.

https://www.schweizerbart.de/papers/metz/detail/5/89490/On_the_influence_of_the_stratospheric_quasi_biennial_oscillation_on_the_mesopause_zonal_wind_over_Central_Europe