On the Relationship between ENSO, Stratospheric Sudden Warmings, and Blocking

Titolo: Sulla relazione tra ENSO, riscaldamenti stratosferici improvvisi e bloccaggi atmosferici

Autori:
DAVID BARRIOPEDRO
Departamento de Física de la Tierra II, Facultad de Ciencias Físicas, Universidad Complutense de Madrid, e Instituto de Geociencias, Centro Mixto del Consejo Superior de Investigaciones Científicas–Universidad Complutense de Madrid, Madrid, Spagna

NATALIA CALVO
Departamento de Física de la Tierra II, Facultad de Ciencias Físicas, Universidad Complutense de Madrid, Madrid, Spagna

(Manoscritto ricevuto il 10 dicembre 2013, in forma definitiva l’8 marzo 2014)

SOMMARIO
Questo articolo esamina l’influenza dell’Oscillazione Meridionale El Niño (ENSO) su diversi aspetti dei maggiori riscaldamenti stratosferici improvvisi (SSWs), concentrandosi sul ruolo precursore dei bloccaggi atmosferici. I risultati rivelano una modulazione dell’ENSO sui bloccaggi precursori degli SSWs. I blocchi europei e atlantici tendono a precedere gli SSWs durante El Niño (EN), mentre i blocchi del Pacifico orientale e siberiani sono i precursori preferiti degli SSWs durante gli inverni di La Niña (LN). Questa preferenza dell’ENSO per diversi bloccaggi precursori sembra verificarsi attraverso un effetto dell’ENSO sulla persistenza dei blocchi regionali, che a sua volta favorisce l’occorrenza degli SSWs. I precursori dei blocchi regionali degli SSWs durante ciascuna fase dell’ENSO hanno anche impatti diversi sulla propagazione verso l’alto dei numeri d’onda planetari 1 e 2; di conseguenza, determinano differenze dell’ENSO nei segni dei numeri d’onda degli SSWs. Gli SSWs che si verificano durante EN sono preceduti dall’amplificazione del numero d’onda 1, mentre gli SSWs di LN sono prevalentemente associati all’amplificazione del numero d’onda 2. Tuttavia, non c’è una forte preferenza per i tipi di SSWs di scissione o spostamento durante alcuna fase dell’ENSO. Questo è principalmente perché durante EN, gli SSWs di scissione non mostrano un pattern del numero d’onda 2.

1. Introduzione
I principali riscaldamenti stratosferici improvvisi (SSWs) sono importanti perturbazioni del vortice polare stratosferico, associate a una maggiore propagazione verso l’alto delle onde di Rossby planetarie dalla troposfera alla stratosfera durante l’inverno. Gli SSWs sono più frequenti nell’emisfero nord (NH) e mostrano una grande variabilità interdecadale. Durante gli SSWs il vortice polare è spostato verso l’equatore (tipo di spostamento) o diviso in due parti (tipo di scissione). Questo è accompagnato da un’inversione dei venti occidentali sopra il cappuccio polare e da un drammatico riscaldamento della stratosfera polare. Successivamente, queste anomalie stratosferiche nel flusso zonale medio progrediscono verso il basso entro poche settimane nella troposfera, dove persistono da settimane a mesi. Negli ultimi anni, diversi studi hanno sottolineato l’importanza delle anomalie stratosferiche associate agli SSW per fornire previsioni meteorologiche invernali troposferiche nelle regioni extratropicali settentrionali più precise e a lungo termine. In questo senso, la classificazione degli SSW in eventi di scissione e spostamento è importante poiché le risposte troposferiche differiscono a seconda del tipo di SSW. Relativamente poca attenzione è stata dedicata all’identificazione dei precursori troposferici degli SSW, anche quando possono offrire il vantaggio di migliorare la prevedibilità degli SSW e, di conseguenza, il tempo di anticipazione delle anomalie legate agli SSW nelle previsioni meteorologiche a medio e lungo termine.Diversi fattori influenzano lo stato medio invernale del vortice polare dell’emisfero nord (NH), come l’Oscillazione Meridionale El Niño (ENSO), l’oscillazione quasi-biennale (QBO), le eruzioni vulcaniche o il ciclo solare di 11 anni. Negli ultimi anni è emerso un rinnovato interesse per esaminare il ruolo dell’ENSO. Studi osservazionali e di modellazione hanno riportato un’influenza dell’ENSO sulla stratosfera polare NH, in cui il vortice polare è più caldo e più perturbato durante gli inverni di El Niño (EN), con risposte opposte ma più deboli che si verificano durante La Niña (LN). Si ritiene che il meccanismo sottostante coinvolga una risposta extratropicale indotta dall’ENSO nella troposfera che modula il flusso ondulatorio planetario verso l’alto nella stratosfera invernale e la forza del vortice polare tramite la dissipazione dell’onda planetaria. Inoltre, i risultati di modellazione hanno suggerito una tendenza per gli SSW a verificarsi preferenzialmente durante gli inverni di EN, come ci si aspetterebbe dall’effetto medio stagionale di EN sul vortice polare. Tuttavia, recentemente, Butler e Polvani (2011) hanno scoperto che, per il periodo 1948-2010 dell’analisi di rianalisi del National Centers for Environmental Prediction–National Center for Atmospheric Research (NCEP–NCAR), gli SSW si verificano con una frequenza approssimativamente uguale durante EN e LN. Nonostante la dimensione limitata del campione del record osservazionale, questo risultato sottolinea l’importanza di entrambe le fasi dell’ENSO per l’occorrenza degli SSW.

D’altra parte, il fatto che gli SSW possano verificarsi con una relativa indipendenza dallo stato medio stagionale della stratosfera polare evidenzia la rilevanza dei processi sub-stagionali nel guidare gli SSW. Tra questi, il bloccaggio troposferico (ovvero l’interruzione del flusso zonale occidentale prevalente nella troposfera causata da anticicloni persistenti) è stato identificato come un possibile precursore degli SSW (Martius et al. 2009; Castanheira e Barriopedro 2010; Woollings et al. 2010; Nishii et al. 2011). Utilizzando dati di rianalisi, Taguchi (2008) non ha trovato connessioni statisticamente significative tra i blocchi e gli SSW; ciò è stato attribuito al fatto che il bloccaggio è un fenomeno più frequente degli SSW. Tuttavia, sebbene non tutti i blocchi portino a SSW, gli SSW tendono ad essere preceduti da blocchi. Pertanto, non è chiaro se ci siano firme specifiche nei blocchi o negli stessi SSW che promuovano l’altrimenti debole collegamento tra di loro. Studi recenti hanno riportato che i precursori dei blocchi degli SSW si verificano in diverse regioni a seconda del tipo di SSW; di conseguenza, associazioni significative tra bloccaggio e SSW emergono solo quando gli SSW sono classificati in casi di scissione e spostamento (Martius et al. 2009; Castanheira e Barriopedro 2010).Il crescente corpo di prove suggerisce che le perturbazioni indotte dai blocchi nelle onde planetarie troposferiche di numero d’onda 1 (d’ora in poi onda 1) e numero d’onda 2 (d’ora in poi onda 2) dipendono dalla posizione del blocco, e a loro volta influenzano il tipo di SSW, con l’onda 1 che è più correlata agli eventi di spostamento e l’onda 2 correlata agli SSW di scissione. Ci sono anche diversi precursori degli SSW di scissione e di spostamento su scale temporali mensili e stagionali (Cohen e Jones 2011).

In questo studio, esaminiamo l’influenza dell’ENSO sui precursori dei blocchi troposferici degli SSW e su diverse caratteristiche degli SSW come il tipo o il contributo relativo dei diversi numeri d’onda. Il documento è strutturato come segue. La sezione 2 descrive i dati e i metodi, che includono l’identificazione degli eventi ENSO, la definizione e la diagnosi degli SSW, una descrizione dell’algoritmo di blocco e le analisi statistiche eseguite in questo studio. I principali risultati sono presentati nella sezione 3, che affronta l’influenza dell’ENSO sui precursori dei blocchi degli SSW e sulle caratteristiche degli SSW. Per interpretare le differenze dell’ENSO, esploriamo anche la risposta complessiva dei blocchi all’ENSO e l’effetto medio del blocco sul vortice polare a seconda della fase dell’ENSO. Le principali conclusioni sono riassunte nella sezione 4.

2. Dati e metodi
a. Caratteristiche degli SSW
Lo studio è stato condotto per il periodo 1958-2010 utilizzando i dati del 40-yr European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) Re-Analysis (ERA-40; 1957/58–2001/02; Uppala et al. 2005) e del ECMWF Interim Re-Analysis (ERA-Interim; 2002/03–2009/10; Dee et al. 2011). Risultati simili sono stati trovati per la rianalisi NCEP–NCAR e per il periodo 1957/58–2001/02 di ERA-40. L’elenco degli SSW e la loro classificazione in eventi di spostamento e scissione sono stati presi da Charlton e Polvani (2007) per il periodo 1957/58–2001/02 di ERA-40 e da Cohen e Jones (2011) per il periodo 2002/03–2009/10 della rianalisi NCEP–NCAR. Entrambi hanno utilizzato la stessa definizione e criteri per identificare gli SSW: gli SSW sono stati rilevati come episodi isolati di inversione del vento zonale medio zonale a 10 hPa e 60°N durante la stagione invernale estesa dell’emisfero nord [novembre-marzo (NDJFM)]. Ci sono 36 SSW nel periodo 1958-2010. Le date centrali degli SSW (ovvero il primo giorno di vento da est) sono mostrate nella Tabella 1. È importante sottolineare che Cohen e Jones (2011) hanno utilizzato i dati della rianalisi NCEP–NCAR ma non hanno rilevato differenze nell’identificazione dei casi o nel tipo di SSW tra la rianalisi NCEP–NCAR e quella di ERA-Interim.

Tuttavia, abbiamo notato alcune piccole discrepanze nelle date centrali degli eventi e quindi, abbiamo scelto le date centrali rilevate con l’ERA-Interim. Secondo Bancala et al. (2012), la classificazione degli SSW in eventi di spostamento e scissione si basa su un insieme di criteri che tende ad essere sbilanciato verso la fase post-riscaldamento degli SSW. Poiché qui siamo interessati ai precursori degli SSW, abbiamo anche classificato gli SSW in eventi di onda-1 e onda-2, a seconda dell’attività dell’onda planetaria per un periodo prima dell’SSW, qui preso come l’intervallo [210, 0]-giorni (il giorno 0 si riferisce alla data centrale dell’SSW). Questa classificazione è stata effettuata applicando una decomposizione di Fourier zonale dell’altezza geopotenziale a 50 hPa a 60°N su base giornaliera, e mantenendo le ampiezze dei numeri d’onda 1 (Z₁) e 2 (Z₂) per il periodo [210, 0]-giorni prima di ciascun SSW.

Gli SSW sono stati classificati in eventi di onda-1 e onda-2 secondo i seguenti criteri: (i) l’SSW è stato definito come un evento di onda-2 se [Z₂] ≥ [Z₁] (le parentesi denotano l’ampiezza media per il periodo [210, 0]-giorni prima dell’SSW) o se Z₂ ≥ Z₁ ≥ 200 gpm almeno per un giorno nel periodo [210, 0]-giorni prima dell’SSW; e (ii) l’SSW è stato definito come un evento di onda-1 se [Z₁] > [Z₂] e Z₂ ≤ Z₁ < 200 gpm per tutti i giorni del periodo [210, 0]-giorni prima dell’SSW. Questo metodo è simile (ma più semplice) a quello proposto da Bancala et al. (2012). La seconda condizione in (i) e (ii) (ovvero quella che si riferisce a Z₂ ≥ Z₁) è stata imposta per evitare di filtrare gli SSW di onda-2 a causa del livellamento intrinseco alla media temporale. Tuttavia, questo criterio è risultato di importanza secondaria (ha influenzato solo la classificazione di due SSW), poiché la maggior parte degli SSW è determinata in modo inequivocabile dal valore di [Z₂] – [Z₁].

La scelta del livello di pressione di 50 hPa è giustificata perché è vicino al massimo climatologico di Z₂ in un profilo verticale, e la soglia di 200 gpm coincide approssimativamente con il 90° percentile della serie temporale Z₂ – Z₁. Il catalogo risultante degli SSW di onda-1 e onda-2 è mostrato nella Tabella 1, insieme alla classificazione degli SSW in tipi di scissione o spostamento, ed è simile a quello fornito da Bancala et al. (2012) per il periodo 1958–2002. Infatti, le conclusioni di questo studio rimangono valide se utilizziamo la loro classificazione per gli SSW di onda-1 e onda-2.

Oltre a Z₁ e Z₂, abbiamo anche calcolato i valori giornalieri del flusso di calore eddico meridionale a 100 hPa, mediato tra 45° e 75°N, che fornisce una misura del flusso di attività dell’onda planetaria che entra nella stratosfera. Questo è stato fatto anche separatamente per l’onda 1 e l’onda 2, dopo aver applicato una trasformata di Fourier veloce ai campi giornalieri del vento meridionale e della temperatura a 100 hPa. Le fluttuazioni del flusso di calore eddico polare possono essere interpretate in termini di variabilità nella propagazione dell’onda planetaria verso l’alto, con anomalie positive (negative) che rappresentano un riscaldamento (raffreddamento) potenziato dello strato più basso della stratosfera a causa di una maggiore (minore) propagazione verso l’alto dell’onda 1 e dell’onda 2, rispettivamente.

La Tabella 1 presenta dettagli sugli eventi di riscaldamento stratosferico improvviso (SSW) per il periodo 1958–2010. Ecco una spiegazione dei dati mostrati:

1. Date Centrali: Indica il primo giorno con venti da est, diagnosticati dai dati del vento zonale medio zonale a 10 hPa e 60°N alle ore 12:00 UTC. Queste date segnano l’inizio di ciascun evento SSW.
2. Tipo:
   • S (Splitting): Indica un evento di scissione, dove il vortice polare è diviso in due parti.
   • D (Displacement): Indica un evento di spostamento, dove il vortice polare è spostato equatorialmente.
3. Precondizionamento Numero d’Onda:
   • W1 (Wave 1): L’evento SSW è stato precondizionato dal numero d’onda planetario 1.
   • W2 (Wave 2): L’evento SSW è stato precondizionato dal numero d’onda planetario 2.
4. Fase Invernale ENSO Associata:
   • EN (El Niño): L’evento SSW si è verificato durante una fase di El Niño.
   • LN (La Niña): L’evento SSW si è verificato durante una fase di La Niña.
   • NE (Neutral): L’evento SSW si è verificato durante una fase neutrale del ciclo ENSO.

La tabella mostra anche la suddivisione tra i dati rilevati durante il periodo di reanalisi ERA-40 (1958–2002) e quelli di ERA-Interim (2003–2010), con le date centrali degli eventi di SSW riassegnate in base a quelli rilevati con ERA-Interim per il periodo più recente. Questo aiuta a mantenere la consistenza tra i diversi set di dati utilizzati nella ricerca.

b. Eventi ENSO
Gli inverni ENSO sono stati definiti per il periodo 1958-2010 in base alla media NDJFM dell’indice Nino-3.4. L’indice Nino-3.4 rappresenta l’anomalia della temperatura superficiale del mare nella regione (5°S–5°N, 170°E–120°W) con riferimento al periodo 1971-2000. Similmente a quanto fatto da Butler e Polvani (2011), gli inverni EN, LN e neutrali (NE) sono stati identificati in base ai valori dell’indice N3.4. Questo ha portato a una distribuzione equilibrata delle fasi di ENSO, con 17 inverni EN, 17 inverni LN e 19 inverni NE nel record di 53 inverni. Si osserva che soglie diverse per l’indice N3.4 hanno prodotto risultati simili a quelli riportati in questo documento. La Tabella 1 elenca la fase ENSO corrispondente a ciascun SSW. Dei 36 SSW del periodo 1958-2010, 13 SSW sono avvenuti durante gli inverni EN, 13 eventi durante gli inverni LN e 10 SSW durante gli inverni NE.

c. Rilevamento dei blocchi
I blocchi giornalieri sono stati rilevati come aree di grande scala con anomalie della vorticità potenziale integrata verticalmente tra 500 e 150 hPa al di sotto del decimo percentile della distribuzione di PV. È stato impiegato un algoritmo di tracciamento per seguire l’evoluzione giornaliera delle aree di blocco e per assicurare la quasi stazionarietà e la persistenza degli eventi di blocco. Lo schema di rilevamento dei blocchi è identico a quello impiegato da Martius et al. (2009), eccetto che lo abbiamo adattato ai dati giornalieri, invece della risoluzione semioraria utilizzata in precedenza. Per testare la sensibilità dei risultati rispetto alla definizione di blocco, abbiamo ripetuto le analisi con un nuovo algoritmo di blocco basato sui dati di altezza geopotenziale a 500 hPa, senza trovare differenze significative.

d. Metodi compositi
Per analizzare l’influenza dell’ENSO sui blocchi abbiamo realizzato composizioni bidimensionali (2D) della frequenza e della persistenza dei blocchi per gli inverni EN e LN. La frequenza dei blocchi è stata valutata calcolando per ogni punto della griglia il numero di giorni in cui è stato rilevato un modello di blocco. La persistenza dei blocchi è stata calcolata identificando tutti gli episodi di blocco che hanno interessato (per almeno un giorno) un dato punto della griglia e poi facendo la media della loro durata totale e assegnando questo valore a quel punto della griglia. La significatività statistica delle composizioni EN e LN è stata valutata con un test di Monte Carlo di 1000 sottocampioni casuali.

I precursori di blocco degli SSW sono identificati eseguendo composizioni 2D della frequenza di blocco per il periodo [210, 0]-giorni prima del giorno centrale di ciascun SSW. Questa scala temporale è vicina alla durata tipica dei blocchi e al tempo di preavviso delle previsioni meteorologiche numeriche per cui gli SSW sono prevedibili. La stessa analisi è stata eseguita per gli SSW stratificati secondo la fase ENSO. In tutti questi casi, le differenze significative rispetto alla climatologia sono state valutate con un test di Monte Carlo di 1000 membri, ognuno contenente lo stesso numero di casi e date degli SSW di ciascuna composizione ma con anni casuali di occorrenza.Infine, per interpretare le differenze ENSO nei precursori dei blocchi, abbiamo valutato l’attività ondulatoria nella stratosfera polare indotta dai blocchi, calcolando composizioni bidimensionali (2D) di Z₁, Z₂ e dei flussi di calore eddico polare a seguito dell’occorrenza di un blocco in un dato punto della griglia. Per fare ciò, le occorrenze locali di blocco sono state identificate da quei giorni invernali in cui un modello di blocco 2D ha interessato un punto specifico della griglia. Per ciascuno di questi episodi di blocco locale, abbiamo calcolato i valori medi di Z₁, Z₂ e le anomalie dei flussi di calore per il periodo di 10 giorni successivo all’inizio (giorno 0) dell’evento di blocco locale nel punto della griglia dato (come in Nishii et al. 2011). La lunghezza di questo intervallo temporale corrisponde approssimativamente al tempo necessario affinché le anomalie troposferiche si propaghino nella stratosfera (ad esempio, Limpasuvan et al. 2004).

Questi campi dinamici sono stati poi composti in ciascun punto della griglia dell’emisfero nord per tutti gli episodi di blocco locale dell’inverno esteso. La significatività è stata valutata con un test di Monte Carlo di 1000 prove in cui lo stesso numero di casi per ciascun punto della griglia è stato scelto con anni casuali di occorrenza, ma mantenendo intatti i giorni e i mesi degli eventi di blocco. Analisi composite simili sono state anche derivate separatamente per gli inverni EN e LN.

La Figura 1 mostra le composizioni dei precursori di blocco degli SSW (riscaldamenti stratosferici improvvisi) per diverse condizioni invernali e le differenze tra vari tipi di SSW e fasi dell’ENSO. Ecco una spiegazione dei pannelli:

• Pannello (a): Rappresenta la composizione dei precursori di blocco per tutti gli SSW. La frequenza dei blocchi è espressa come percentuale di tempo (su un periodo di 11 giorni) durante il quale un blocco è stato rilevato in ciascun punto della griglia. Questa mappa evidenzia dove i blocchi atmosferici tendono a verificarsi prima di un SSW.
• Pannello (b): Mostra la composizione dei precursori di blocco per gli SSW che si verificano durante gli inverni di El Niño (EN). Le aree colorate mostrano dove il blocco è più frequente, con una particolare concentrazione di blocchi nelle regioni dell’emisfero settentrionale.
• Pannello (c): Mostra la composizione per gli SSW che si verificano durante gli inverni di La Niña (LN). Anche qui sono evidenziate le aree con maggiore frequenza di blocchi prima di un SSW, specificamente per gli inverni LN.
• Pannello (d): Rappresenta la differenza tra gli inverni EN e LN in termini di frequenza di blocco. I colori freddi (blu) indicano aree dove la frequenza dei blocchi è maggiore durante gli inverni LN rispetto a EN, mentre i colori caldi (arancione) mostrano il contrario.
• Pannello (e): Mostra la differenza tra SSW di spostamento (displacement) e SSW di scissione (splitting). Evidenzia le aree dove i blocchi sono più comuni prima di uno dei due tipi di SSW.
• Pannello (f): Rappresenta la differenza tra SSW precondizionati da onda 1 (W1) e SSW precondizionati da onda 2 (W2). I colori freddi indicano una minore frequenza nei W1 rispetto ai W2, mentre i colori caldi mostrano il contrario.

Significatività statistica:

Le aree con tratteggio verticale indicano dove l’attività di blocco è significativamente superiore alla climatologia, mentre quelle con tratteggio orizzontale indicano dove è significativamente inferiore alla climatologia, con un livello di confidenza del 95%, ottenuto tramite un test di Monte Carlo con 1000 prove.

In sintesi, la figura illustra come i blocchi atmosferici fungano da precursori degli SSW, e come la loro distribuzione e frequenza cambino in base alla fase dell’ENSO, al tipo di SSW e al precondizionamento delle onde planetarie.

3. Risultati
a. Modulazione dell’ENSO sui precursori di blocco degli SSW
Per prima cosa, vengono esplorati i precursori di blocco caratteristici degli SSW e le loro differenze spaziali in base alla fase dell’ENSO. Le Figure 1a–c mostrano le composizioni dei blocchi nel periodo [210, 0]-giorni prima degli SSW derivati da tutti gli inverni e separatamente per gli inverni EN e LN. I risultati indicano collegamenti deboli tra i blocchi e gli SSW quando sono considerati tutti insieme (Fig. 1a). Tuttavia, emerge un segnale più robusto se gli SSW vengono stratificati per fase dell’ENSO, con grandi differenze nella posizione dei precursori di blocco tra EN e LN.

Durante EN (Fig. 1b), gli SSW tendono ad essere preceduti da blocchi nel settore Euro-Atlantico (sebbene il segnale sia significativo solo sull’Atlantico occidentale). Invece, durante LN (Fig. 1c), i blocchi nel Pacifico orientale e, in misura minore, nella Siberia settentrionale, sono significativamente i precursori preferiti degli SSW.

Il comportamento dei blocchi tra il Pacifico e l’Atlantico si inverte durante le fasi opposte dell’ENSO: la frequenza dei blocchi nel Pacifico aumenta significativamente prima degli SSW LN e diminuisce prima degli SSW EN, e accade il contrario per i blocchi nell’Atlantico. Questo è mostrato nella differenza composita tra EN e LN (Fig. 1d).

Questi risultati suggeriscono un’influenza dell’ENSO sui precursori di blocco degli SSW, con una chiara preferenza spaziale per specifici blocchi a seconda della fase ENSO. Per questo motivo, ci concentreremo principalmente sulle fasi EN e LN, escludendo gli SSW che si verificano durante gli inverni NE.

D’altra parte, studi precedenti hanno riportato una dipendenza spaziale dei precursori di blocco in base al tipo di SSW (vedi sezione 1). Secondo Martius et al. (2009), gli eventi di scissione sono preceduti da blocchi nel Pacifico o da blocchi simultanei nell’Atlantico e Pacifico, mentre gli SSW di spostamento sono associati a una mancanza di blocchi nel Pacifico e a un aumento della frequenza dei blocchi nel settore Euro-Atlantico/Euro-Asiatico. Questo è riprodotto nelle Figure 2a e 2b, che mostrano il tasso composito di frequenza dei blocchi per il periodo [210, 0]-giorni prima degli SSW di spostamento e scissione, rispettivamente. Gli SSW che si verificano durante EN e LN condividono alcuni dei loro precursori di blocco con quelli degli SSW di spostamento e scissione, rispettivamente (cfr. Figg. 1b e 1c).

Per verificare se ciò sia dovuto a una preferenza di EN (LN) per SSW di spostamento (scissione), abbiamo calcolato la frequenza degli SSW e dei loro tipi per ciascuna fase dell’ENSO (Fig. 3a). Utilizzando la rianalisi NCEP–NCAR, Butler e Polvani (2011) hanno trovato che gli SSW si verificano con frequenze simili durante EN e LN e sono meno comuni durante NE. I nostri risultati (barre scure nella parte superiore della Fig. 3a) confermano questo dato per una diversa rianalisi. Un’analisi dettagliata in base al tipo di SSW fornisce maggiori informazioni sulla relazione ENSO–SSW. Per la definizione di SSW utilizzata, gli eventi di scissione tendono a verificarsi più frequentemente durante LN rispetto alla climatologia, mentre gli inverni EN non mostrano una particolare preferenza per alcun tipo di SSW.

È inoltre notevole che la riduzione degli SSW durante NE, riportata da Butler e Polvani (2011), derivi da una quasi totale mancanza di SSW di scissione (p > 95%), con un solo evento in 19 inverni. Risultati simili sono stati ottenuti dalla rianalisi NCEP–NCAR e con piccole variazioni nella classificazione degli anni ENSO, sebbene la piccola dimensione del campione di SSW tipizzati comprometta la robustezza statistica dei nostri risultati, che dovrebbero quindi essere presi con cautela.I risultati della Figura 3 indicano che, sebbene ci sia una tendenza per gli SSW di scissione durante LN, EN non mostra alcuna preferenza per un tipo specifico di SSW. Infatti, la differenza nella frequenza degli SSW tra gli inverni EN e LN non è statisticamente significativa per alcun tipo di SSW (Fig. 3a, grafico inferiore). Pertanto, le differenze nei modelli di blocco tra EN e LN mostrate nelle Figure 1b e 1c non possono essere attribuite a un tipo distintivo di SSW durante queste fasi ENSO. Un confronto dell’importanza relativa degli effetti dell’ENSO rispetto al tipo di SSW sui precursori di blocco è mostrato nelle Figure 1d e 1e. Le differenze tra EN e LN (Fig. 1d) sono più grandi rispetto a quelle tra gli SSW di scissione e spostamento (Fig. 1e), indicando che l’effetto dell’ENSO sui precursori spaziali di blocco domina sull’effetto dovuto al tipo di SSW.

Finora, abbiamo riportato una modulazione dell’ENSO sui precursori di blocco degli SSW. Successivamente, esploreremo l’influenza dell’ENSO sui precursori di blocco degli SSW di spostamento e di scissione, separatamente. Per fare ciò, sono state calcolate le composizioni dei precursori di blocco per gli SSW di spostamento e di scissione per ciascuna fase dell’ENSO, e i risultati sono mostrati nelle Figure 2c–f. Si noti che la dimensione del campione è piccola in alcune di queste composizioni, in particolare per gli SSW di spostamento. Gli SSW di scissione che si verificano durante EN (Fig. 2d) e LN (Fig. 2f) mostrano grandi differenze nei loro precursori di blocco.

Mentre i blocchi atlantici tendono a precedere gli eventi di scissione durante EN, i blocchi nel Pacifico si verificano prevalentemente prima delle scissioni del vortice durante LN. Di conseguenza, la co-occorrenza di blocchi nel Pacifico e nell’Atlantico prima degli SSW di scissione (Fig. 2b) non è più significativa quando le scissioni del vortice vengono stratificate in base alla fase dell’ENSO. Invece, le scissioni durante gli inverni EN e LN sono significativamente associate a precursori di blocco in bacini diversi. Si noti inoltre che i casi NE non distorcerebbero questa conclusione, poiché c’è solo un SSW di scissione durante gli inverni NE.

Diversamente dagli SSW di scissione, le composizioni per gli SSW di spostamento non mostrano schemi di blocco opposti tra EN e LN (Figg. 2c, 2e). Tuttavia, ci sono alcune differenze notevoli, la più evidente è la tendenza degli SSW di spostamento a essere preceduti da blocchi siberiani durante LN (Fig. 2e) e da blocchi europei durante EN (Fig. 2c).

Questi risultati rivelano un segnale ENSO sui precursori spaziali di blocco degli SSW di scissione e di spostamento. Pertanto, la relazione tra blocchi e tipo di SSW, riportata in studi precedenti, non è univoca, ma è modulata dall’ENSO.

La Figura 2 mostra le composizioni dei precursori di blocco per i riscaldamenti stratosferici improvvisi (SSW) di due tipi diversi: spostamento (displacement) e scissione (splitting), durante diverse condizioni invernali.

• Pannello (a) SSW-displacement: Mostra i precursori di blocco per tutti gli SSW di spostamento durante tutti gli inverni, evidenziando le aree dove i blocchi tendono a formarsi.
• Pannello (b) SSW-split: Illustra i precursori di blocco per tutti gli SSW di scissione durante tutti gli inverni, indicando le zone frequenti di formazione dei blocchi prima di questi eventi.
• Pannello (c) EN SSW-displacement: Presenta i precursori di blocco per gli SSW di spostamento durante gli inverni di El Niño (EN), mostrando come i pattern di blocco differiscano in questo contesto climatico.
• Pannello (d) EN SSW-split: Visualizza i precursori di blocco per gli SSW di scissione durante gli inverni di El Niño, sottolineando le aree specifiche di attività di blocco.
• Pannello (e) LN SSW-displacement: Mostra i precursori di blocco per gli SSW di spostamento durante gli inverni di La Niña (LN), evidenziando come i pattern di blocco si differenziano rispetto agli inverni di El Niño.
• Pannello (f) LN SSW-split: Espone i precursori di blocco per gli SSW di scissione durante gli inverni di La Niña, con marcante differenziazione nei pattern di blocco rispetto agli eventi di El Niño.

In ogni pannello, le aree colorate indicano la frequenza dei blocchi atmosferici, con tonalità più scure che denotano una maggiore frequenza di blocco. Queste mappe sono cruciali per comprendere le differenze geografiche nei precursori di blocco associati ai diversi tipi di SSW e alle fasi dell’ENSO, fornendo intuizioni visive su come i blocchi atmosferici possano influenzare o essere correlati con specifici eventi meteorologici estremi nella stratosfera.

La Figura 3 presenta due grafici, (a) e (b), che illustrano la frequenza relativa degli SSW e i loro tipi, in base alla fase dell’ENSO (El Niño, La Niña, Neutrale). Ogni grafico fornisce dettagli sulle variazioni nella frequenza degli eventi di SSW durante differenti condizioni climatiche:

(a) Tipi di SSW: Displacement vs. Splitting

• Parte superiore: Mostra la frequenza dei tipi di SSW (displacement e splitting) per ciascuna fase dell’ENSO (EN, LN, NE). Le barre indicano la frequenza con cui si verificano gli eventi di displacement (più scuro) e splitting (più chiaro) durante ciascuna fase dell’ENSO.
• Parte inferiore: Illustra la differenza di frequenza tra gli eventi di displacement e splitting SSW durante le fasi EN e LN, con barre scure. Mostra anche la differenza complessiva (EN-LN) tra tutte le tipologie di SSW e la loro frequenza relativa.

(b) SSW condizionati da onde-1 e onde-2

• Parte superiore: Simile al grafico (a), ma focalizzato sui SSW che sono condizionati dalle onde planetarie di tipo 1 (wave-1) e tipo 2 (wave-2). Le barre rappresentano la frequenza di occorrenza di eventi condizionati dall’onda-1 (più scuro) e onda-2 (più chiaro) durante le diverse fasi dell’ENSO.
• Parte inferiore: Mostra le differenze tra le frequenze di SSW condizionati da onda-1 e onda-2 durante le fasi EN e LN, così come la differenza complessiva EN-LN per entrambi i tipi di onde.

Metodologia Statistica

Le frequenze sono calcolate come probabilità condizionale (numero di SSW durante una fase dell’ENSO diviso per il numero di inverni con quella fase dell’ENSO). Le “whiskers” (linee verticali sopra e sotto le barre) indicano gli intervalli dal 5° al 95° percentile, derivati da un test di Monte Carlo con 5000 sottocampioni casuali della stessa dimensione del numero di inverni EN, LN e NE.

Questi grafici sono cruciali per comprendere come la frequenza e il tipo di SSW siano influenzati dalle diverse fasi dell’ENSO, evidenziando come questi eventi differiscano notevolmente a seconda delle condizioni climatiche dominanti durante gli inverni osservati.

b. Risposta stratosferica al blocco e la sua modulazione da parte dell’ENSO

Per comprendere le dinamiche sottostanti alla modulazione dell’ENSO sui precursori di blocco degli SSW, esploriamo l’effetto medio del blocco sulla stratosfera polare e la sua dipendenza dalla fase dell’ENSO, indipendentemente dal fatto che il blocco porti o meno a SSW. Per valutare il flusso di onde che raggiunge la stratosfera inferiore indotto dagli episodi di blocco, abbiamo realizzato delle composizioni di flusso di calore eddico zonale medio polare anomalo a 100 hPa mediato tra 45° e 75°N e dei suoi componenti d’onda separatamente, per il periodo medio [0, 10]-giorni dopo l’occorrenza di un blocco in ciascun punto della griglia dell’emisfero nord (Fig. 4).

In generale, ci sono valori positivi significativi del flusso totale di calore eddico sulla maggior parte del settore Euro-Atlantico e valori negativi sul Pacifico occidentale (Fig. 4a). Di conseguenza, i blocchi Euro-Atlantici (Pacifico occidentale) tendono a precedere una stratosfera polare più calda (più fredda) a causa della maggior (minore) propagazione verso l’alto delle onde e della conseguente dissipazione. Questo è in accordo con studi precedenti che segnalano collegamenti tra la forza del vortice polare e le anomalie troposferiche precursori sui settori europeo o del Pacifico settentrionale. Pertanto, l’influenza del blocco sulla stratosfera polare dipende dalla posizione geografica del blocco.

Questa influenza regionale del blocco sul vortice polare può essere spiegata dalla posizione relativa del blocco rispetto alla fase geografica delle onde planetarie stazionarie di numero d’onda 1 e 2 (ad es., Castanheira e Barriopedro 2010; Nishii et al. 2011). Separando il flusso totale di calore polare nelle componenti di onda 1 (Fig. 4b) e onda 2 (Fig. 4c), si scopre che la risposta netta del vortice polare al blocco deriva principalmente dal contributo dell’onda 1. Tuttavia, e più importantemente, ci sono diverse influenze regionali del blocco su onda 1 e onda 2 (cfr. Figg. 4b e 4c). Questo è ulteriormente illustrato nella Figura 5, che mostra le composizioni dei profili trasversali zonali delle componenti anomale di onda 1 e onda 2 del campo di altezza geopotenziale indotte dal blocco in posizioni geografiche selezionate.

In generale, l’ampiezza dell’onda di un dato numero d’onda è potenziata dal blocco quando la regione di blocco coincide con i cresti stazionari di quel numero d’onda nella troposfera media-alta, mentre l’opposto si verifica se il modello di blocco è collocato con i solchi stazionari corrispondenti. I modelli amplificati (indeboliti) delle onde stazionarie sono inclinati verso ovest con l’altezza, indicando una propagazione verso l’alto potenziata (soppressa) delle onde di Rossby a scala planetaria. Una valutazione più dettagliata eseguita a diversi ritardi temporali dopo l’occorrenza del blocco indica che queste perturbazioni delle onde appaiono quasi immediatamente dopo l’episodio di blocco e persistono per diversi giorni, suggerendo un’influenza dal basso verso l’alto relativamente rapida (non mostrato).Esaminando in dettaglio le regioni dei precursori di blocco degli SSW, si scopre che i blocchi nel Pacifico orientale hanno effetti opposti su onda 1 e onda 2 (Fig. 5a,b), risultando da un’interferenza distruttiva (costruttiva) tra l’anomalia di blocco e l’onda stazionaria 1 (onda 2). Gli effetti contrastanti dei blocchi nel Pacifico orientale su onda 1 e onda 2 sono anche osservati nelle Fig. 4b,c, e implicano una parziale cancellazione sul flusso totale di calore eddico (cfr. Fig. 4a e 4b,c), spiegando perché alcuni blocchi nel Pacifico orientale portano a perturbazioni significative del vortice polare mentre altri no (Nishii et al. 2011).

D’altra parte, i blocchi europei (Fig. 5c,d) e atlantici (Fig. 5e,f) tendono a aumentare la propagazione dell’onda 1 e a sopprimere quella dell’onda 2, poiché queste regioni di blocco sono situate nella cresta Euro-Atlantica dell’onda stazionaria troposferica 1 e vicine al solco stazionario dell’onda 2 (vedi anche Fig. 4b,c). Infine, i risultati per i blocchi siberiani (Fig. 5g,h) indicano un flusso di calore polare potenziato nella stratosfera inferiore, principalmente relativo all’onda 1, ma anche all’onda 2. Precedenti studi hanno dimostrato che i blocchi siberiani possono intensificare la propagazione verso l’alto dell’onda 1 e eventualmente causare un riscaldamento significativo della stratosfera polare (Nishii et al. 2011).

Esploreremo in seguito se gli effetti dei blocchi sul vortice polare siano sensibili alla fase dell’ENSO. La composizione del flusso totale di calore eddico per i blocchi che si verificano durante EN (Fig. 4d) è simile a quella trovata per tutti gli inverni, ma con un segnale più forte sul settore Euro-Atlantico, includendo il principale precursore degli SSW durante EN (Fig. 1b).In contrasto, durante LN (Fig. 4g), il Pacifico orientale e la Siberia (le regioni precursori degli SSW di LN, Fig. 1c) sono le principali regioni di blocco che favoriscono un riscaldamento della stratosfera polare, mentre il flusso totale di calore eddico polare a seguito dei blocchi Euro-Atlantici è notevolmente ridotto. Pertanto, le regioni di blocco che tendono a indebolire il vortice polare durante EN e LN sono anche le location corrispondenti dei precursori di blocco degli SSW (Fig. 1). D’altra parte, il confronto delle componenti di calore eddico di onda 1 e onda 2 (Figg. 4b,c) e le loro rispettive composizioni durante EN (Figg. 4e,f) e LN (Figg. 4h,i) indica che il flusso di calore potenziato associato ai blocchi Atlantici durante EN è dovuto a onda 1. Infatti, l’attività di onda 1 a seguito dei blocchi Atlantici è abbastanza forte da perturbare significativamente la stratosfera polare durante EN, ma non durante LN (Figg. 4e,h). Al contrario, l’attività anomala di onda 2 a seguito dei blocchi del Pacifico orientale è principalmente limitata agli inverni di LN (cfr. Figg. 4c e 4f,i). Da notare anche che durante LN, il contributo di onda 2 dei blocchi del Pacifico orientale al flusso totale di calore eddico è abbastanza forte da superare il contributo negativo di onda 1 (Fig. 4g). Questo non avviene durante EN, quando l’effetto di onda 1 dei blocchi del Pacifico orientale è dominante (Fig. 4d). In sintesi, questi risultati indicano che l’effetto medio del blocco regionale sul vortice polare dipende dall’ENSO e questa modulazione dell’ENSO coincide ragionevolmente bene con quella trovata per i precursori di blocco degli SSW. Così, la modulazione dell’ENSO della relazione tra blocco e vortice polare è abbastanza indipendente dal fatto che i blocchi portino o meno a SSW.

La Figura 4 presenta una serie di compositi del flusso di calore eddico meridionale medio zonale a 100 hPa, mediati tra i 45° e i 75°N, per il periodo [0, 10] giorni successivo all’occorrenza di un blocco in ciascun punto della griglia dell’emisfero nord (NH). I compositi sono mostrati per:

• (a)-(c) tutti gli inverni,
• (d)-(f) inverni durante El Niño (EN),
• (g)-(i) inverni durante La Niña (LN).

Ciascuna riga presenta tre tipi di flusso di calore eddico:

• Sinistra: mostra il flusso totale,
• Centro: mostra il flusso relativo alla onda-1,
• Destra: mostra il flusso relativo alla onda-2.

I valori positivi (colorati in toni di rosso/arancio) indicano una risposta di riscaldamento della stratosfera inferiore guidata dalle onde, causata dall’occorrenza locale del blocco. Al contrario, i valori negativi (colorati in toni di blu) indicano una risposta di raffreddamento.

Le aree tratteggiate verticalmente identificano quelle regioni con anomalie del flusso di calore polare che sono statisticamente significative sopra la norma al 95% di livello di confidenza, utilizzando un test di Monte Carlo con 1000 prove. I punti neri nelle figure centrali e di destra evidenziano le località selezionate.

Questi compositi sono utili per visualizzare come le diverse regioni del blocco atmosferico influenzino la stratosfera in modi diversi a seconda della loro posizione geografica e delle caratteristiche delle onde planetarie coinvolte, e come queste interazioni possano variare a seconda della fase ENSO corrente.

La Figura 5 mostra compositi delle sezioni trasversali longitudine-pressione delle anomalie delle onde planetarie 1 e 2 (in gradiente di colore), per il periodo [0, 10] giorni dopo l’inizio del blocco in posizioni selezionate. Questi grafici sono utili per visualizzare come specifici blocchi influenzino le dinamiche atmosferiche a varie altitudini. Ecco una spiegazione dettagliata dei pannelli:

• (a) e (b) per i blocchi nel Pacifico (65°N, 150°W);
• (c) e (d) per i blocchi in Europa (60°N, 0°);
• (e) e (f) per i blocchi nell’Atlantico (65°N, 50°W);
• (g) e (h) per i blocchi in Siberia (65°N, 65°E).

Ogni coppia di grafici rappresenta:

• Sinistra (onda-1): mostra le anomalie per l’onda-1.
• Destra (onda-2): mostra le anomalie per l’onda-2.

Le anomalie sono mostrate in gradiente di colore (gpm), dove toni di blu indicano valori negativi (raffreddamento) e toni di arancione indicano valori positivi (riscaldamento). Le linee di contorno rappresentano la climatologia dell’inverno esteso, con linee solide per valori positivi e tratteggiate per valori negativi.

Le aree tratteggiate verticalmente (orizzontalmente) segnalano ampiezze d’onda anomale che sono significativamente sopra (sotto) la climatologia al 95% di livello di confidenza, determinate attraverso un test di Monte Carlo di 1000 prove.

Il punto nero in ogni pannello indica la posizione del blocco. Il numero in alto a destra nei pannelli di sinistra indica il numero di casi in ciascun composito.

Questa figura è essenziale per comprendere l’effetto dei blocchi atmosferici su scale verticali e come questi influenzino diversamente la stratosfera a seconda della loro posizione geografica e del tipo di onda atmosferica coinvolta.

c. Modulazione dell’ENSO sugli SSW

Abbiamo dimostrato che, in media, i blocchi Atlantici durante EN e i blocchi nel Pacifico orientale durante LN perturbano significativamente il vortice polare attraverso l’amplificazione di onda 1 e onda 2, rispettivamente. Inoltre, queste regioni di blocco fungono anche da principali precursori di blocco degli SSW durante EN e LN, rispettivamente (sezione 3a). Pertanto, è ragionevole aspettarsi una certa associazione tra ENSO e le firme d’onda precedenti agli SSW, con una tendenza per le firme di onda 1 prima degli SSW EN e le caratteristiche di onda 2 prima degli SSW LN. Per esplorare questa relazione, abbiamo calcolato l’evoluzione temporale delle anomalie di Z1 e Z2 per il periodo da -230 a -30 giorni attorno alla data centrale degli SSW (Fig. 6). I risultati confermano che gli SSW EN sono frequentemente preceduti dall’amplificazione di onda 1 (Fig. 6b), mentre gli SSW LN si verificano preferibilmente dopo l’amplificazione di onda 2 (Fig. 6c).

La Figura 6 mostra anche i compositi basati su ENSO corrispondenti a ciascun tipo di SSW. Si scopre che gli SSW di spostamento sono associati con l’amplificazione di onda 1 durante sia EN (Fig. 6e) che LN (Fig. 6f) e una certa riduzione di onda 2. Questo è in accordo con i loro rispettivi precursori di blocco (blocchi europei durante EN e blocchi siberiani durante LN, Fig. 2c,e), che agiscono per potenziare la propagazione verso l’alto di onda 1 (Fig. 4b). Tuttavia, ci sono importanti differenze nella predisposizione d’onda dei SSW di scissione tra EN e LN.

Durante LN, gli SSW di scissione si verificano dopo una significativa amplificazione di onda 2 (Fig. 6i), in accordo con i precursori di blocco di questo tipo di SSW (blocchi del Pacifico orientale, Fig. 2f) e i loro effetti su onda 2 (Fig. 4i). Tuttavia, gli SSW di scissione sono associati all’amplificazione di onda 1 durante EN (Fig. 6h), in conformità con la risposta di onda 1 ai blocchi Atlantici (Fig. 4e), che sono i principali precursori di questo tipo di SSW durante EN (Fig. 2d). Pertanto, nonostante la credenza tradizionale che le scissioni del vortice siano associate con onda 2, i nostri risultati indicano che, per la classificazione degli SSW adottata qui, non c’è una corrispondenza uno-a-uno tra l’occorrenza degli SSW di scissione e un forcing precondizionato di onda 2.

Questo è stato anche sottolineato da Bancala et al. (2012), che hanno scoperto che quasi la metà degli SSW di scissione che si sono verificati nel periodo 1958-2002 non mostrava firme di onda 2. Hanno argomentato che questa discrepanza era il risultato del criterio di classificazione degli SSW in eventi di scissione e spostamento, che si basa fortemente sul periodo post-riscaldamento dell’SSW piuttosto che sull’attività d’onda prima dell’SSW. I nostri risultati rivelano inoltre che la mancanza di associazione tra gli SSW di scissione e gli eventi di onda 2 dipende dall’ENSO, essendo particolarmente evidente durante EN, ma non durante LN.

L’assenza di firme di onda 2 associate agli SSW di scissione durante EN è ulteriormente supportata dalla Fig. 7, che mostra i campi compositi di latitudine equivalente a 700 K attorno alla data centrale degli SSW. A differenza del composito LN (Fig. 7f), gli SSW di scissione durante EN (Fig. 7c) non mostrano il tipico modello di onda 2 associato alla divisione del vortice in due pezzi, ma una deformazione del vortice con spostamento equatoriale e estensione verso il Canada che somiglia piuttosto a un SSW di spostamento.Questi risultati implicano anche che una forzatura di onda 1 durante EN non significa necessariamente una alta probabilità di occorrenza di un SSW di spostamento, dato che sia gli SSW di spostamento che quelli di scissione mostrano preferibilmente una predisposizione per l’onda 1 durante quella fase di ENSO (Fig. 6e,h). Infatti, non ci sono differenze significative tra la frequenza di entrambi i tipi di SSW durante EN (Fig. 3a). D’altra parte, le Figure 6b,c suggeriscono una tendenza per gli SSW di onda 1 durante EN e per gli SSW di onda 2 durante LN. Questo è confermato dalla distribuzione di frequenza degli SSW di onda 1 e onda 2 durante le diverse fasi di ENSO mostrate in Fig. 3b. Infatti, tutti gli SSW che si sono verificati durante EN erano eventi di onda 1. Durante LN, non c’è una distribuzione così sbilanciata verso gli eventi di onda 2, anche se la frequenza degli SSW di onda 1 (onda 2) è significativamente ridotta (aumentata), rispetto alla climatologia. Di conseguenza, la differenza di frequenza tra gli SSW di onda 1 e onda 2 rivela valori significativamente positivi durante EN e negativi durante LN (Fig. 3b, grafico inferiore). La forte connessione tra EN e gli SSW di onda 1 e la preferenza per gli SSW di onda 2 durante LN è in accordo con lo studio di modellazione di Taguchi e Hartmann (2006).

Tuttavia, contrariamente ai nostri risultati di rianalisi, questi autori hanno anche trovato più SSW durante EN che durante LN, il che potrebbe essere dovuto a differenze nella definizione degli SSW, al breve record osservativo, o a carenze del modello, come la sottostima dell’onda 2, come descritto in una versione più recente di quel modello da de la Torre et al. (2012), o ai problemi segnalati nella rappresentazione delle teleconnessioni extratropicali dell’ENSO (Garfinkel et al. 2012).

In breve, la stratificazione degli SSW in eventi di onda 1 e onda 2 fornisce un quadro più chiaro dell’influenza dell’ENSO sulle caratteristiche degli SSW rispetto a quella ottenuta dalla classificazione degli SSW in scissioni e spostamenti del vortice. Poiché il raggruppamento degli SSW in eventi di onda 1 e onda 2 si basa sull’attività dell’onda stratosferica prima degli SSW, questi risultati confermano ulteriormente la modulazione dell’ENSO sui precursori degli SSW. Infatti, la differenza composita dei precursori di blocco degli SSW tra EN e LN (Fig. 1d) assomiglia a quella ottenuta tra gli SSW di onda 1 e onda 2 (Fig. 1f).

La Figura 6 mostra compositi dell’evoluzione temporale delle anomalie di geopotenziale a 50 hPa per le onde 1 (in blu) e 2 (in rosso) e delle anomalie del vento zonale medio zonale (in nero) a 10 hPa e 60°N, per il periodo da -30 a +30 giorni intorno alla data centrale degli SSW (riscaldamenti stratosferici improvvisi). I grafici sono suddivisi in tre gruppi:

• (a)–(c) Tutti gli SSW,
• (d)–(f) SSW di spostamento (displacement),
• (g)–(i) SSW di scissione (splitting).

Ogni gruppo di grafici è ulteriormente diviso per mostrare i dati per:

• Sinistra (tutti gli inverni),
• Centro (inverni EN),
• Destra (inverni LN).

Le linee blu rappresentano l’amplificazione o la diminuzione dell’onda 1, le linee rosse rappresentano l’amplificazione o la diminuzione dell’onda 2, e le linee nere rappresentano le anomalie del vento zonale. I numeri nell’angolo in alto a sinistra di ciascun pannello indicano la dimensione del campione per ciascun composito. Le linee ispessite indicano periodi con differenze significative rispetto alla climatologia al 95% di livello di confidenza. La significatività è valutata con un test di Monte Carlo di 5000 campioni con lo stesso numero di casi e giorni del calendario degli SSW di ciascun composito ma con anni di occorrenza casuali.

Questi grafici sono utili per visualizzare le differenze nella dinamica dell’atmosfera prima e dopo gli SSW e per osservare come questi eventi differiscano in base alla fase ENSO e al tipo di SSW (spostamento o scissione). Mostrano come le anomalie delle onde atmosferiche possano influenzare o essere correlate con gli eventi stratosferici estremi, evidenziando la relazione tra le oscillazioni atmosferiche e il comportamento del vortice polare.

La Figura 7 mostra compositi della latitudine equivalente (in gradi nord, °N) a 700 K per il periodo da -25 a +5 giorni relativi a vari tipi di SSW (Stratospheric Sudden Warming) durante gli inverni caratterizzati da EN (El Niño) e LN (La Niña). I grafici sono suddivisi in:

• (a) e (d) Tutti gli SSW,
• (b) e (e) SSW di spostamento (displacement),
• (c) e (f) SSW di scissione (splitting).

Le configurazioni di ogni pannello sono le seguenti:

• (a)-(c) Mostrano gli SSW durante gli inverni EN.
• (d)-(f) Mostrano gli SSW durante gli inverni LN.

La linea blu solida rappresenta il vortice polare composito, definito come la latitudine equivalente di 55°N, mentre la linea tratteggiata rappresenta la climatologia del vortice polare. Le aree tratteggiate verticalmente (orizzontalmente) indicano valori che sono significativamente sopra (sotto) la norma con una significatività di p > 95%. La significatività è stata valutata con un test di Monte Carlo di 1000 prove, in cui lo stesso numero di casi di SSW di ogni composito è stato scelto con anni casuali, mantenendo però intatti i loro giorni e mesi.

Questi grafici sono utili per visualizzare le differenze nella struttura e posizione del vortice polare associato agli SSW durante le diverse fasi del ciclo ENSO, e come tali eventi influenzino la morfologia del vortice stesso. Mostrano in particolare come il vortice possa espandersi o restringersi, o come la sua forma possa cambiare in risposta a eventi di SSW, con variazioni significative evidenziate dalla presenza di linee tratteggiate.

La Figura 8 illustra compositi della frequenza e durata dei blocchi atmosferici durante gli inverni caratterizzati da El Niño (EN) e La Niña (LN), nonché le differenze tra queste due fasi dell’ENSO.

• (a), (b), (c) Mostrano la frequenza dei blocchi (% dei giorni d’inverno) per:
  • (a) Inverni EN,
  • (b) Inverni LN,
  • (c) Differenza tra gli inverni EN e LN.
• (d), (e), (f) Analogamente ai primi tre pannelli, ma mostrano la durata media dei blocchi (espressa in giorni). In (d) e (e), la durata del blocco medio è espressa come il numero di giorni superiore a 5 giorni (la durata minima di un blocco), quindi un valore di d significa effettivamente d + 5 giorni.

Le aree tratteggiate verticalmente (orizzontalmente) indicano valori sopra (sotto) la norma che sono statisticamente significativi con un livello di confidenza del 95%, valutato tramite un test di Monte Carlo di 1000 campioni, ciascuno con anni casuali e la stessa dimensione come il numero di inverni EN e LN. I punti neri in (f) evidenziano località selezionate.

Questi grafici forniscono una rappresentazione visiva di come i blocchi atmosferici differiscano nei due tipi di inverni legati agli eventi di ENSO, mostrando variazioni significative sia nella frequenza sia nella persistenza di tali blocchi a seconda che si verifichino durante El Niño o La Niña. Questo può aiutare a capire come l’ENSO influenzi i modelli meteorologici generali e i fenomeni di lunga durata come i blocchi atmosferici.

d. Sulle cause dell’influenza dell’ENSO sui precursori di blocco degli SSW

Studi precedenti hanno suggerito la presenza di firme distintive nelle anomalie della circolazione troposferica che precedono gli SSW. Ad esempio, Nishii et al. (2011) hanno riportato che i blocchi quasi stazionari sulla regione del Pacifico orientale erano più inclini a causare cambiamenti pronunciati nella circolazione stratosferica, e Sjoberg e Birner (2012) hanno scoperto che gli SSW erano preferibilmente preceduti da forzature troposferiche di lunga durata, piuttosto che da anomalie intense. In questa sezione, esploriamo la possibilità che l’ENSO influenzi certe caratteristiche dei blocchi regionali che, a loro volta, favoriscono l’occorrenza degli SSW. Questo comporta due passaggi: 1) identificare un segnale dell’ENSO in una qualsiasi delle caratteristiche medie dei blocchi regionali (che dovrebbe essere coerente con la modulazione dell’ENSO dei precursori di blocco), e 2) dimostrare che un tale cambiamento nelle caratteristiche dei blocchi aumenta la probabilità che un blocco preceda un SSW. Consideriamo la frequenza e la persistenza dei blocchi come le caratteristiche dei blocchi regionali da testare.

Esaminiamo prima la distribuzione spaziale invernale della frequenza e della persistenza dei blocchi rispetto alla fase dell’ENSO (Fig. 8). Questi compositi sono calcolati con tutti gli episodi di blocco invernali, inclusi i precursori di blocco degli SSW, anche se otteniamo risultati simili se i precursori di blocco sono rimossi prima della composizione. Le ipotesi nulle sono che la frequenza e la persistenza dei blocchi non cambino con la fase dell’ENSO. Si noti che il rifiuto di una delle ipotesi nulle non implica il rifiuto dell’altra, poiché un cambiamento nella frequenza dei blocchi (ovvero il numero di giorni di blocco invernali) può derivare da un cambiamento nel numero di episodi di blocco e/o nella persistenza dei blocchi.

I compositi della frequenza dei blocchi (Fig. 8a–c) rivelano un effetto dell’ENSO sulla frequenza dei blocchi nel settore del Pacifico, con i blocchi del Pacifico orientale significativamente più frequenti durante LN rispetto a EN. Questo è in accordo con la frequenza aumentata dei blocchi del Pacifico prima degli SSW durante LN (Fig. 1c) e la sua attività ridotta prima degli SSW EN (Fig. 1b). Pertanto, la preferenza per il blocco del Pacifico durante LN non è limitata alla comparsa degli SSW, ma è una caratteristica climatologica dell’ENSO. La modulazione dell’ENSO sui blocchi del Pacifico orientale è in linea con la ben nota manifestazione extratropicale dell’ENSO [cioè, il pattern Pacific North American (PNA)] e la correlazione negativa di quest’ultimo con la frequenza dei blocchi del Pacifico (Croci-Maspoli et al. 2007; vedi anche Renwick e Wallace 1996). Tuttavia, LN non aumenta la frequenza media invernale dei blocchi Siberiani (Fig. 8b), come era stato trovato prima degli SSW LN. Infine, anche se il blocco invernale dell’Atlantico tende ad essere più frequente durante EN che durante LN (Fig. 8c), analogamente a quanto riferito per i precursori di blocco degli SSW (Fig. 1d), l’influenza dell’ENSO sull’attività di blocco dell’Atlantico non è statisticamente significativa al p > 95% (Fig. 8a). Pertanto, concludiamo che la modulazione dell’ENSO sulla frequenza dei blocchi non può spiegare completamente le differenze dell’ENSO nei precursori di blocco degli SSW.D’altra parte, le differenze dell’ENSO nella persistenza dei blocchi (Fig. 8d–f) indicano che i blocchi tendono a durare significativamente più a lungo sul Pacifico orientale e in Siberia durante LN e sull’Atlantico occidentale durante EN. Eccetto per l’Europa, dove il segnale dell’ENSO è debole, queste sono anche le regioni dei precursori di blocco degli SSW durante LN e EN, rispettivamente (Fig. 1d). Inoltre, le regioni dove la persistenza media dei blocchi è significativamente potenziata dall’ENSO (Fig. 8f) tendono a coincidere con le aree dove c’è un aumento correlato all’ENSO nella risposta del flusso di calore polare stratosferico al blocco (Fig. 4). L’idea che la persistenza del blocco potenzi i suoi effetti nella stratosfera polare è stata anche evidenziata da Nishii et al. (2011), che hanno sostenuto che un blocco può aumentare l’interferenza positiva con le onde planetarie rimanendo a lungo sulla cresta stazionaria. In sintesi, scopriamo che l’ENSO modula la persistenza media regionale dei blocchi, e le impronte spaziali di questo segnale dell’ENSO assomigliano alle differenze dell’ENSO nei precursori di blocco degli SSW.Quindi, rimane da dimostrare che una maggiore persistenza nei blocchi regionali effettivamente favorisca l’occorrenza degli SSW. Per affrontare questa questione, abbiamo esplorato i cambiamenti nella capacità predittiva dei blocchi rispetto alla durata dei blocchi. Per fare ciò, abbiamo identificato l’occorrenza di modelli di blocco in regioni situate entro 500 km da punti griglia selezionati che rappresentano le principali regioni precursori di blocco (Nishii et al. 2011). Abbiamo poi raggruppato i casi di blocco in base alla loro persistenza nell’area selezionata (si noti che, poiché le regioni selezionate sono relativamente piccole, un’elevata persistenza di un modello di blocco implica anche un’alta quasi-stazionarietà). Infine, abbiamo testato se i cambiamenti nella persistenza dei blocchi regionali comportino un miglioramento del collegamento con gli SSW calcolando semplicemente la probabilità condizionata (%) dell’occorrenza di SSW data l’occorrenza di un blocco. Questa probabilità condizionata viene mostrata solo durante la fase dell’ENSO per la quale il blocco regionale è un precursore degli SSW. La distribuzione di questa diagnostica in funzione della durata del blocco è mostrata nella Figura 9 per le principali regioni precursori degli SSW (Fig. 1).Come previsto, i risultati indicano miglioramenti nella prevedibilità degli SSW durante fasi specifiche dell’ENSO a seconda del settore di blocco, con i blocchi dell’Atlantico (Pacifico e Siberiano) che aumentano significativamente la probabilità di occorrenza degli SSW durante EN (LN), rispetto a quella prevista dalla climatologia. Inoltre, si è scoperto che un’alta persistenza dei blocchi su queste regioni migliora il loro ruolo di precursori degli SSW.

In sintesi, i nostri risultati rivelano che i blocchi tendono a durare più a lungo sull’Atlantico occidentale durante EN e sul Pacifico orientale e in Siberia durante LN (Fig. 8f), questo cambiamento nella persistenza dei blocchi rappresenta una condizione favorevole per l’occorrenza degli SSW (Fig. 9). Pertanto, le differenze spaziali nei precursori di blocco degli SSW di EN e LN (Fig. 1) potrebbero essere spiegate dalla modulazione dell’ENSO sulla persistenza media dei blocchi.

4. Conclusioni In questo studio abbiamo valutato l’effetto dell’ENSO sulla relazione tra i blocchi atmosferici e il vortice polare, sia nel dataset completo che nel sottoinsieme più piccolo degli SSW, includendo l’influenza dell’ENSO sui precursori di blocco degli SSW e su diverse diagnostiche degli SSW, come la distribuzione della frequenza relativa di ciascun tipo di SSW e la predisposizione d’onda del vortice polare. La maggior parte di queste firme degli SSW mostra differenze significative tra le fasi opposte dell’ENSO. I risultati principali possono essere riassunti come segue:

1. Gli SSW sono preceduti da modelli di blocco che si verificano in diverse regioni a seconda della fase dell’ENSO: un’attività potenziata del blocco atlantico tende a precedere gli SSW durante El Niño (EN), mentre i blocchi del Pacifico orientale sono i precursori preferiti degli SSW durante La Niña (LN). Questo segnale dell’ENSO sui precursori di blocco degli SSW è maggiore di quello ottenuto in studi precedenti stratificando gli SSW in SSW di scissione e spostamento. La differenza relativamente più debole tra i predittori di blocco degli SSW di scissione e spostamento sembra derivare dalla diversità dei precursori in entrambi i tipi di SSW. Infatti, ci sono anche differenze dell’ENSO nei precursori di blocco degli SSW di scissione e spostamento.

L’influenza del blocco sul vortice polare è sensibile all’ENSO, indipendentemente dal fatto che gli eventi di blocco portino a SSW o meno. Questa modulazione spaziale dell’ENSO coincide con le differenze dell’ENSO nei precursori di blocco degli SSW. I blocchi che si verificano sui settori Atlantico ed Europeo (le regioni precursori degli SSW di EN) causano un effetto maggiore sulla stratosfera polare durante EN rispetto a LN a causa di una maggiore propagazione verso l’alto dell’onda 1. Durante LN, il blocco del Pacifico orientale è associato a un aumento del flusso di calore stratosferico tramite l’onda 2 che supera il suo effetto di raffreddamento dell’onda 1, spiegando così la predilezione per questi precursori durante LN.

Come conseguenza dei punti 1 e 2, ci sono differenze nell’ENSO nell’attività d’onda precondizionata degli SSW. Di conseguenza, gli SSW che si sviluppano durante EN tendono a essere preceduti da un’amplificazione dell’onda 1, indipendentemente dal tipo di SSW (scissione o spostamento), mentre c’è una predominanza dell’onda 2 prima degli SSW che si verificano durante LN. Tuttavia, contrariamente agli SSW di EN, l’attività d’onda prima degli SSW di LN dipende dal tipo di SSW: gli SSW di scissione tendono ad essere preceduti da un’amplificazione dell’onda 2, mentre gli SSW di spostamento sono innescati dall’onda 1.

4. L’effetto ENSO sulle firme d’onda degli SSW porta a una distribuzione di frequenza sbilanciata tra onda-1 e onda-2 SSW tra fasi opposte dell’ENSO. Gli SSW di onda-1 sono più probabili durante EN, mentre LN aumenta l’occorrenza degli SSW di onda-2 rispetto agli eventi di onda-1. Tuttavia, il segnale dell’ENSO nella frequenza degli SSW di onda-1 e onda-2 non ha un effetto corrispondente sull’occorrenza relativa degli SSW di spostamento e scissione. Questo può essere spiegato dalla mancanza di corrispondenza tra onda-2 e SSW di scissione durante EN.
5. Le regioni precursori dei blocchi coincidono con le aree dove l’ENSO aumenta significativamente la persistenza dei blocchi, sostenendo che ci sono firme specifiche nei precursori di blocco degli SSW, rispetto ai blocchi non precursori. Infatti, lo sviluppo di blocchi di lunga durata sembra aumentare la probabilità di occorrenza degli SSW. Questi risultati ci permettono di identificare un meccanismo plausibile attraverso il quale l’ENSO modula i precursori di blocco degli SSW: l’ENSO influenza la persistenza del blocco regionale, che, a sua volta, modula l’effetto del blocco sulla stratosfera polare e cambia le probabilità che un blocco inneschi SSW.

Questo studio contribuisce alla nostra comprensione dell’influenza dell’ENSO sugli SSW, inclusi gli inverni di LN, che per lungo tempo non sono stati considerati particolarmente inclini all’occorrenza di questi eventi estremi. I nostri risultati implicano anche un potenziale miglioramento nella previsione degli SSW basato sulla conoscenza della fase dell’ENSO e suggeriscono che previsioni più accurate degli SSW sono attese non solo dalla semplice occorrenza di un blocco, ma anche dalla sua persistenza.

Questo studio esamina l’impatto dell’ENSO (El Niño-Southern Oscillation) sulla relazione tra i blocchi atmosferici e il vortice polare, focalizzandosi su come i diversi pattern di blocco influenzino la formazione degli SSW (Stratospheric Sudden Warmings). Le principali scoperte mostrano che:

1. La frequenza e la persistenza dei blocchi atmosferici variano significativamente con le fasi dell’ENSO, influenzando direttamente la probabilità e le caratteristiche degli SSW. Durante la fase di El Niño, i blocchi sull’Atlantico sono più frequenti e tendono a favorire una maggiore propagazione dell’onda-1, che è associata agli SSW di spostamento. In contrasto, durante La Niña, i blocchi nel Pacifico orientale sono più comuni e promuovono un aumento del flusso di calore stratosferico tramite l’onda-2, tipica degli SSW di scissione.
2. L’influenza dell’ENSO sulla persistenza dei blocchi è evidente, con blocchi più duraturi riscontrati sull’Atlantico occidentale durante El Niño e sul Pacifico orientale e in Siberia durante La Niña. Questa variazione nella durata dei blocchi è cruciale per la loro capacità di influenzare il vortice polare e, di conseguenza, per la loro efficacia come precursori degli SSW.
3. La modulazione dell’ENSO non solo impatta la frequenza e la persistenza dei blocchi, ma anche le caratteristiche delle onde atmosferiche che precedono gli SSW. Specificamente, durante El Niño si osserva un’ampificazione dell’onda-1, mentre durante La Niña prevale l’onda-2.

Il documento conclude che l’ENSO modula significativamente i precursori dei blocchi degli SSW attraverso la persistenza dei blocchi, alterando così la loro efficacia nel condizionare eventi estremi nella stratosfera. Questi risultati migliorano la comprensione delle dinamiche dei blocchi e degli SSW e potrebbero contribuire a previsioni più accurate di questi fenomeni basate sulle fasi dell’ENSO.

La Figura 9 illustra la capacità predittiva dei blocchi nel provocare SSW (%) in funzione della durata del tempo in cui i blocchi permangono sopra regioni di 6500 km centrate su punti selezionati, mostrati nei grafici superiori per:

• (a) Pacifico (65°N, 150°W) durante LN: tendono a mostrare un’alta capacità predittiva per SSW con l’aumentare della durata del blocco.
• (b) Atlantico (65°N, 50°W) durante EN: mostrano una tendenza di capacità predittiva decrescente man mano che aumenta la durata del blocco.
• (c) Siberia (65°N, 65°E) durante LN: presentano una capacità predittiva per SSW che decresce all’aumentare della durata del blocco.

La distribuzione della frequenza degli episodi di blocco regionale con durata uguale o superiore al valore indicato è mostrata nei grafici inferiori di (a)–(c). La capacità è definita come la probabilità condizionata dell’occorrenza di SSW sotto l’occorrenza di un blocco. I cerchi pieni indicano che la probabilità è significativamente più alta di quella prevista dalla climatologia con un livello di confidenza del 95%, come derivato da un test di Monte Carlo di 1000 campioni selezionando casualmente gli anni degli inverni EN e LN.

Questi risultati suggeriscono che i blocchi più persistenti in specifiche regioni durante determinate fasi dell’ENSO hanno una maggiore probabilità di innescare SSW, con variazioni notevoli a seconda della regione e della fase dell’ENSO considerata.

https://journals.ametsoc.org/view/journals/clim/27/12/jcli-d-13-00770.1.xml