Origini della Variabilità Pluri-decennale nei Riscaldamenti Stratosferici Improvvisi
Abstract: I Riscaldamenti Stratosferici Improvvisi (SSW) rappresentano delle significative alterazioni del vortice polare stratosferico nell’Emisfero Nord (NH), verificandosi in media circa sei volte per decennio secondo le registrazioni basate su osservazioni. Tuttavia, questi archivi mostrano periodi con frequenze sia molto elevate sia molto basse di SSW, suggerendo l’esistenza di variazioni a bassa frequenza nella loro occorrenza. Una migliore comprensione dei fattori che influenzano questa variabilità su scala decennale potrebbe migliorare la prevedibilità del clima di superficie a medie latitudini nell’NH, attraverso l’interazione stratosfera-troposfera. In questo studio, abbiamo esaminato la variabilità pluri-decennale degli eventi SSW utilizzando una simulazione pre-industriale di 1000 anni di un modello climatico globale accoppiato. Attraverso l’impiego di un metodo di decomposizione spettrale a ondelette, abbiamo riscontrato che sia gli eventi di “hiatus” (periodi di un decennio o più senza SSW) sia gli eventi consecutivi di SSW (periodi prolungati con almeno un SSW ogni anno) variano su scale temporali di 60-90 anni. Questi segnali sono stati presenti per circa 450 anni della simulazione. Indagando le possibili origini di questi segnali a lungo termine, abbiamo scoperto che la variabilità delle temperature superficiali del mare nei tropici e le relative condizioni del basso delle Aleutine spiegano solo una piccola parte della variabilità dei SSW. Invece, l’influenza predominante sulla variabilità a lungo termine dei SSW è legata alla variabilità dell’ampiezza dell’Oscillazione Quasi-Biennale (QBO) stratosferica. Questa influenza della QBO è in linea con la nota relazione Holton-Tan, dove gli intervalli di hiatus dei SSW sono associati a periodi prolungati di fasi occidentali della QBO particolarmente forti e persistenti. I nostri risultati supportano studi recenti che hanno sottolineato l’importanza della coerenza verticale nella QBO nell’esaminare l’interazione tra la QBO, il vortice polare e la circolazione troposferica.
1. Introduzione
Gli eventi maggiori di Riscaldamento Stratosferico Improvviso (SSW) provocano notevoli perturbazioni nel vortice polare stratosferico dell’Emisfero Nord e costituiscono la più grande forma di variabilità interannuale nella stratosfera boreale invernale (Butler et al., 2017; Baldwin et al., 2021). Questi eventi sono collegati a uno spostamento verso l’equatore e a una decelerazione del getto aereo dell’Atlantico del Nord (Kidston et al., 2015), a fasi negative dell’Oscillazione Nord Atlantica (NAO) (Baldwin e Dunkerton, 2001), nonché a bruschi abbassamenti di temperatura in Eurasia e Nord America (Thompson, 2003; Lehtonen e Karpechko, 2016; Tomassini et al., 2012; Kretschmer et al., 2018). Gli SSW rivestono anche un ruolo fondamentale nelle previsioni climatiche stagionali e sub-stagionali (Domeisen et al., 2020a, b). Secondo i dati di rianalisi, gli SSW avvengono in media 0,6 volte per inverno, ma questa frequenza varia significativamente nel corso degli anni (Butler et al., 2015), suggerendo la presenza di variazioni su tempi più lunghi. Ad esempio, studi osservativi hanno rilevato un’interruzione negli anni ’90, periodo in cui si sono verificati pochissimi eventi SSW importanti (Butler et al., 2015; Pawson e Naujokat, 1999; Shindell et al., 1999), stimato come il più lungo intervallo di pausa dal 1850 (Domeisen, 2019). Al contrario, i primi anni del XXI secolo hanno mostrato un numero eccezionale di inverni consecutivi con eventi SSW (Manney et al., 2005).
Nonostante ci sia stata un’intensa attività di ricerca per capire la natura degli SSW e il loro impatto sul clima delle medie latitudini a livello di superficie, la variabilità nella frequenza degli SSW su scale decennali e pluri-decennali rimane poco chiara. La variabilità stratosferica pluri-decennale è stata esaminata nel contesto dei segnali di riscaldamento globale antropogenico nei modelli climatici globali (GCM). Per esempio, Garfinkel et al. (2017) hanno analizzato le variazioni su scala decennale della forza del vortice polare in una serie di simulazioni storiche, suggerendo che una pausa osservata nel riscaldamento superficiale dell’Eurasia fosse probabilmente dovuta alla variabilità nella forza del vortice in pieno inverno. Analogamente, Cohen et al. (2009) hanno identificato variazioni decennali nella forzatura delle onde planetarie del vortice in un gruppo di modelli del Coupled Model Intercomparison Project fase 3 (CMIP3) e nelle rianalisi del National Centers for Environmental Prediction – National Center for Atmospheric Research (NCEP–NCAR).Questi studi suggeriscono che tali fluttuazioni possano influenzare la modulazione del segnale del riscaldamento globale nelle temperature superficiali della tarda stagione invernale boreale. Non è stato definitivamente stabilito se la variabilità del vortice sia stata influenzata dalle concentrazioni di gas serra o sia derivata da variazioni interne nel sistema climatico. Garfinkel et al. (2015), utilizzando una parte delle simulazioni esaminate in Garfinkel et al. (2017), hanno collegato un trend decennale (1980-2009) nella forza del vortice di fine inverno alla variabilità della temperatura superficiale del mare (SST). D’altro canto, Seviour (2017) ha analizzato le variazioni osservate tra il 1980 e il 2016, giungendo alla conclusione che la variabilità del vortice fosse primariamente generata da processi interni al sistema climatico. Schimanke et al. (2011) hanno osservato variazioni della frequenza degli SSW su scala pluri-decennale, con periodi di circa 52 anni, in una lunga serie di simulazioni di un modello climatico globale (GCM). Questo studio ha mostrato una variabilità coerente anche in altre parti del sistema climatico, inclusa l’attività delle onde planetarie a propagazione verticale, la copertura nevosa in Eurasia e le temperature superficiali del mare nell’Atlantico. Tuttavia, i risultati non sono definitivi poiché il modello utilizzato (EGMAM: ECHO-G con Middle Atmosphere Model) presenta un bias significativo nel tasso medio di SSW rispetto alle analisi di rianalisi (due eventi per decennio), suggerendo che i loro risultati potrebbero non rappresentare pienamente la stratosfera osservata. Gli autori hanno sottolineato la necessità di ulteriori simulazioni per una migliore comprensione di questa variabilità. Manzini et al. (2012) hanno esplorato le cause della variabilità su un periodo di 20 anni in una simulazione con temperature superficiali del mare pre-industriali prescritte, concludendo che, data la costanza delle condizioni al contorno, tale variabilità deve essere generata internamente. Butchart et al. (2000) hanno suggerito che la variabilità decennale nella forza del vortice e nella frequenza degli SSW potrebbe derivare da retroazioni dovute alla natura non lineare della dinamica stratosferica invernale boreale. Entrambi gli studi indicano che questi segnali interni hanno un impatto significativo sulla variabilità climatica a medie latitudini, inducendo variazioni di periodo simile nell’Oscillazione Nord Atlantica e nelle temperature superficiali del mare nell’Atlantico Nord.
Una regione che viene spesso esaminata negli studi sulla variabilità della forza del vortice polare è la stratosfera equatoriale. Il meccanismo principale di interazione tra queste aree è rappresentato dalla relazione tra l’Oscillazione Quasi-Biennale (QBO) e il vortice. La correlazione tra la fase della QBO e la forza del vortice polare è stata inizialmente ipotizzata da Holton e Tan nel 1980 e nel 1982. Essi scoprirono che il vortice polare tendeva a rafforzarsi quando la QBO, nei pressi del livello dei 50 hPa, si trovava nella sua fase occidentale (QBO-W), rispetto a quando era nella fase orientale (QBO-E). Questo legame, noto come effetto Holton-Tan (HT), è stato confermato in studi successivi sia osservativi sia di modellazione, utilizzando GCM come il Met Office Hadley Centre Model versione 2 (HadGEM2) (Watson e Gray, 2014) e altri modelli del Met Office (Garfinkel et al., 2018), basati su versioni precedenti del modello considerato in questo studio. Altri studi di modellazione hanno evidenziato l’effetto HT (Baldwin e Dunkerton, 1991; Pascoe et al., 2005; Lu et al., 2008). Diversi meccanismi fisici sono stati proposti per spiegare l’accoppiamento osservato tra la QBO e il vortice polare stratosferico, che coinvolgono l’influenza della QBO sulla propagazione delle onde nella stratosfera invernale (Baldwin et al., 2001).
La QBO è generalmente definita in base al vento zonale medio equatoriale (ZMZW) a un livello specifico nella stratosfera media. Per gli studi osservativi nell’Emisfero Nord, si utilizza solitamente il livello di 50 hPa (Baldwin et al., 2001; Baldwin e Dunkerton, 1998), ma alcuni studi hanno sottolineato anche l’importanza di analizzare la struttura verticale della QBO (Fraedrich et al., 1993; Wallace et al., 1993; Baldwin e Dunkerton, 1998; Dunkerton, 2017; Gray et al., 2018; Andrews et al., 2019). In uno studio basato su osservazioni, Gray et al. (2018) hanno trovato un’associazione più marcata tra la QBO e il vortice polare quando si utilizza un indicatore che tiene conto della coerenza verticale dei venti equatoriali, attraverso l’uso di funzioni empiriche ortogonali (Schenzinger, 2016).
In uno studio basato su modelli, Andrews et al. (2019) hanno introdotto un metodo simile ma più semplice per definire la QBO, calcolando la media del vento zonale medio equatoriale (ZMZW) tra due livelli verticali. Questo approccio seleziona preferibilmente periodi in cui la fase della QBO è coerente verticalmente tra i livelli specificati. Questi studi evidenziano l’importanza di considerare le misurazioni verticali della QBO nell’analizzare l’interazione tra la QBO e il vortice, anche se i meccanismi di questa influenza non sono ancora completamente chiariti.
La variabilità su scala decennale e pluri-decennale della QBO e del suo rapporto con il vortice (relazione HT) è stata anche indagata. Sono state osservate variazioni significative nel periodo della QBO e nei tempi di transizione delle sue fasi (Pascoe et al., 2005; Anstey e Shepherd, 2008; Yang e Yu, 2016). Queste variazioni potrebbero essere collegate a cambiamenti nel grado di “stallo” o arresto della discesa della fase della QBO, che può portare a una persistenza della direzione del vento a un determinato livello. Alcuni studi hanno anche notato che la forza della relazione HT varia nel tempo (Lu et al., 2008, 2014; Anstey e Shepherd, 2008; Osprey et al., 2010). Lu et al. (2008, 2014) hanno osservato che la guida delle onde a medie latitudini è influenzata dalla forma del vortice: quando il vortice è insolitamente forte e ampio, le onde planetarie tendono a essere deviate più verso l’equatore, riducendo temporaneamente l’influenza della QBO sul vortice.
La variabilità del vortice è stata inoltre collegata a cambiamenti nel clima di superficie durante l’inverno, che influenzano la forza delle onde troposferiche a medie latitudini. Uno degli aspetti più rilevanti è il sistema di bassa pressione climatologica sulle Isole Aleutine nel Mare di Bering, noto come il Minimo delle Aleutine (AL). Si è scoperto che l’intensità dell’AL influisce sulla propagazione verticale delle onde planetarie verso la regione del vortice (Woo et al., 2015; Garfinkel et al., 2010; Manzini et al., 2006). Questo effetto è stato confermato sia attraverso analisi di dati storici (Hu e Guan, 2018) sia in studi di modellazione (Kren et al., 2016; Kang e Tziperman, 2017; Taguchi e Hartmann, 2006).
Il Minimo delle Aleutine (AL), una caratteristica atmosferica chiave nel Pacifico, ha connessioni significative sia con il clima tropicale sia con quello delle medie latitudini (Tsuyoshi e Shingo, 1989; Trenberth e Hurrell, 1994; Zhang et al., 1997). La sua variabilità è notevole su scale temporali che vanno dai decenni ai pluri-decenni. Overland et al. (1999) hanno osservato che i valori medi decennali della pressione a livello del mare (SLP) nell’area dell’AL possono variare fino al 35% rispetto alla media climatologica. Studi successivi hanno confermato queste fluttuazioni decennali: Sugimoto e Hanawa (2009) e Minobe (1999) hanno rilevato fluttuazioni ventennali nell’intensità e posizione dell’AL, mentre Raible et al. (2005) hanno proposto una tendenza di 50-60 anni nella sua intensità, indicando possibili variazioni su tempi ancora più lunghi.
Anche le temperature superficiali del mare (SST) tropicali sono correlate alla variabilità del vortice. Ad esempio, le anomalie di SST nell’area orientale del Pacifico legate all’Oscillazione Meridionale El Niño (ENSO) si sono mostrate capaci di influenzare la circolazione del vortice stratosferico, agendo attraverso il Minimo delle Aleutine (Domeisen et al., 2019). Una fase positiva dell’ENSO è correlata con un intensificarsi dell’AL, che a sua volta rafforza l’attività delle onde planetarie nell’atmosfera media. Questo collegamento è stato ampiamente osservato sia in studi basati su dati reali (Garfinkel e Hartmann, 2008; Ineson e Scaife, 2009; Smith e Kushner, 2012) sia in ricerche modellistiche (Bell et al., 2009; Domeisen et al., 2014; Manzini et al., 2006; Richter et al., 2015). Tuttavia, la solidità di questa connessione varia a seconda degli eventi ENSO (Deser et al., 2017; Iza et al., 2016) e tra i vari decenni (Osprey et al., 2019), suggerendo che la teleconnessione possa avere elementi di non stazionarietà.
Le temperature superficiali del mare (SST) in altre regioni tropicali mostrano anch’esse correlazioni con il vortice polare. Rao e Ren (2017) hanno scoperto che le SST dell’Atlantico tropicale influenzano la risposta del vortice, anche se questa varia molto durante la stagione. Fletcher e Kushner (2011, 2013) e Rao e Ren (2015) hanno identificato un legame simile con l’Oceano Indiano tropicale (TIO). Anomalie positive di SST nel TIO portano a un indebolimento del Minimo delle Aleutine (AL), che a sua volta riduce la forza delle onde di Rossby che influenzano il vortice, un effetto contrario rispetto alla connessione tra l’ENSO e il vortice, dove anomalie positive di SST portano all’indebolimento del vortice.
Altre forze di superficie sono state dimostrate influenzare la variabilità del vortice attraverso cambiamenti nell’attività delle onde stazionarie troposferiche. Per esempio, si è visto che la copertura nevosa in Eurasia ad ottobre ha una connessione con il vortice di metà inverno, sia nei dati osservativi che nei modelli (Garfinkel et al., 2020; Cohen et al., 2007), anche se Henderson et al. (2018) sottolineano che molti processi dietro questa connessione non sono ancora ben compresi. Anche l’estensione del ghiaccio marino nelle regioni di Kara e Barents è stata indicata come un fattore che influisce sulle onde planetarie che agiscono sul vortice, attraverso modifiche nei flussi di calore tra oceano e atmosfera (Kim e Kim, 2020; Nakamura et al., 2016). Questi fattori hanno un impatto sull’occorrenza dei Riscaldamenti Stratosferici Improvvisi (SSW) e formano la base di una teoria secondo cui una maggiore riduzione del ghiaccio marino porta a una Oscillazione Artica (AO) negativa e a condizioni meteorologiche invernali severe nell’Emisfero Nord. Infine, Hirota et al. (2018) hanno suggerito che le variazioni nella copertura di ghiaccio marino artico possono influenzare la forza della relazione Holton-Tan, e la perdita di ghiaccio marino è stata collegata anche all’interruzione della QBO nel 2016 (Labe et al., 2019).
Sebbene siano stati fatti grandi sforzi per studiare i Riscaldamenti Stratosferici Improvvisi (SSW) e i loro meccanismi di base, resta limitata la comprensione dei periodi senza SSW, come quello degli anni ’90, e degli anni con eventi SSW consecutivi, come l’inizio e la metà degli anni 2000. Questo è dovuto principalmente alla brevità del periodo di osservazioni affidabili e alla complessità e natura variabile delle numerose teleconnessioni osservate. Per identificare e comprendere appieno la variabilità su scala decennale e pluri-decennale, sono necessarie serie temporali molto più estese. Nel frattempo, l’analisi di variabilità e teleconnessioni in simulazioni climatiche di lunga durata può aiutare a comprendere meglio questi fenomeni.
In questo studio, esaminiamo la variabilità a lungo termine del vortice polare stratosferico utilizzando una simulazione di 1000 anni del Modello del Sistema Terrestre del Regno Unito (UKESM) in un contesto pre-industriale (piControl). L’assenza di forzature esterne, come l’aumento dei gas serra o variazioni vulcaniche e solari, ci permette di focalizzarci sulle fonti di variabilità interne al sistema climatico. Identifichiamo periodi con alta e bassa frequenza di SSW e analizziamo la loro variabilità, concentrandoci su scale pluri-decennali. Una migliore comprensione della variabilità stratosferica contribuirà a migliorare le previsioni meteorologiche e climatiche invernali per l’Emisfero Nord (Kidston et al., 2015; Gray et al., 2020). Utilizziamo varie tecniche per esaminare le associazioni con le parti del sistema climatico che mostrano memoria a lungo termine, come le SST tropicali e il Minimo delle Aleutine. In particolare, adottiamo un’analisi spettrale a ondelette e un’analisi cross-spettrale per affrontare le sfide poste dai segnali non stazionari. Esploriamo inoltre le interazioni tra il vortice polare e la QBO come possibili fonti di variabilità interna. Quest’ultima analisi rivela una fonte di variabilità su scala pluri-decennale legata all’ampiezza e alla profondità verticale della QBO. Il lavoro è strutturato come segue: la Sezione 2 descrive il GCM utilizzato nello studio, il metodo di analisi spettrale e gli indici climatici rilevanti. La Sezione 3 presenta i risultati dell’analisi, mentre la Sezione 4 discute i risultati e conclude lo studio.