James A. Ansteya,b* and Theodore G. Shepherda,c
aDepartment of Physics, University of Toronto, Ontario, Canada
bAtmospheric, Oceanic and Planetary Physics, Department of Physics, University of Oxford, UK
cDepartment of Meteorology, University of Reading, UK
*Correspondence to: J. A. Anstey, Atmospheric, Oceanic and Planetary Physics, Clarendon Laboratory, Parks Road,
Oxford OX1 3PU, UK. E-mail: anstey@atm.ox.ac.uk
L’Oscillazione Quasi-Biennale, comunemente indicata con l’acronimo QBO dall’inglese Quasi-Biennial Oscillation, rappresenta uno dei fenomeni dinamici più regolari e caratteristici della stratosfera terrestre. Sebbene la sua massima espressione si manifesti nella fascia equatoriale, attraverso l’alternanza di regimi di vento zonale orientale e occidentale che discendono progressivamente dalla media e alta stratosfera verso la tropopausa, gli effetti della QBO non rimangono confinati ai Tropici. Una delle scoperte più importanti della dinamica stratosferica del XX secolo è stata infatti l’identificazione di una connessione tra la fase della QBO tropicale e lo stato della circolazione atmosferica alle alte latitudini, in particolare con l’intensità e la stabilità del vortice polare stratosferico dell’emisfero boreale. Tale relazione costituisce quello che oggi viene generalmente definito effetto Holton–Tan, dal nome degli studiosi che all’inizio degli anni Ottanta ne fornirono una delle prime formulazioni dinamiche sistematiche. La rassegna di Anstey e Shepherd, High-latitude influence of the quasi-biennial oscillation, pubblicata nel Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, rappresenta uno dei lavori di riferimento per comprendere questa complessa teleconnessione tra la stratosfera tropicale e quella polare, mostrando come un’oscillazione apparentemente confinata alle basse latitudini possa modificare la propagazione delle onde planetarie e, attraverso queste, influenzare profondamente la circolazione atmosferica extratropicale.
La QBO consiste essenzialmente nell’alternanza di venti zonali occidentali e orientali nella stratosfera equatoriale, con una periodicità media prossima ai 28 mesi, sebbene la durata dei singoli cicli possa variare considerevolmente. Le diverse fasi si originano nella stratosfera superiore e discendono gradualmente verso quote inferiori sotto l’azione del trasferimento di quantità di moto prodotto da differenti categorie di onde atmosferiche. Onde di Kelvin, onde miste Rossby-gravità, onde inerziali-gravità e onde di gravità su scale più piccole contribuiscono, con caratteristiche diverse, all’accelerazione e alla propagazione verso il basso dei regimi di vento. La grande rassegna di Baldwin et al. del 2001 ha evidenziato come la QBO costituisca non soltanto il principale modo di variabilità dinamica della stratosfera equatoriale, approssimativamente fra 16 e 50 km di quota, ma anche un elemento capace di modulare la circolazione stratosferica su scala quasi globale attraverso la sua interazione con la propagazione delle onde extratropicali.
È precisamente questa seconda proprietà a rendere la QBO particolarmente importante per la meteorologia delle medie e alte latitudini. Il vortice polare stratosferico boreale si forma durante l’autunno in risposta al rapido raffreddamento radiativo delle regioni polari e raggiunge generalmente la massima intensità nel cuore dell’inverno. Tuttavia, da un anno all’altro la sua intensità può cambiare drasticamente. Alcuni inverni sono caratterizzati da un vortice molto intenso, freddo e relativamente simmetrico, mentre altri presentano una struttura più debole e perturbata, soggetta a grandi deformazioni, spostamenti dal Polo o divisioni in due strutture distinte. Nei casi più estremi la propagazione verso la stratosfera delle onde planetarie provenienti dalla troposfera può produrre una brusca decelerazione dei venti occidentali circumpolari, accompagnata da un rapido aumento delle temperature polari: il fenomeno noto come Sudden Stratospheric Warming, o riscaldamento stratosferico improvviso.
Le osservazioni condotte da Holton e Tan mostrarono che parte di questa variabilità del vortice poteva essere statisticamente associata allo stato della QBO equatoriale. Nella configurazione classica dell’effetto Holton–Tan, una QBO orientale nella bassa stratosfera tropicale, tipicamente rappresentata utilizzando i venti equatoriali intorno a 50 hPa, tende a essere associata a un vortice polare boreale mediamente più debole, caldo e dinamicamente disturbato. La fase occidentale della QBO tende invece a essere associata a un vortice più intenso e freddo. Si tratta di una relazione statistica e non di una regola deterministica: un inverno con QBO orientale non deve necessariamente sviluppare un vortice debole o un riscaldamento stratosferico improvviso, così come un inverno con QBO occidentale non implica necessariamente la persistenza di un vortice forte. L’atmosfera extratropicale è infatti soggetta simultaneamente all’influenza di numerose sorgenti di variabilità, e l’effetto della QBO deve essere interpretato come una modifica delle probabilità e delle condizioni dinamiche favorevoli a determinati stati della stratosfera polare.
La spiegazione originaria proposta da Holton e Tan attribuiva un ruolo fondamentale allo spostamento latitudinale della superficie o linea di vento zonale nullo associata alla QBO. La propagazione delle onde planetarie di Rossby nella stratosfera dipende infatti fortemente dalla distribuzione del vento zonale medio. Una modifica dei venti tropicali e subtropicali altera quindi le regioni attraverso le quali queste onde possono propagarsi. Durante la fase orientale della QBO, la regione caratterizzata da venti orientali può estendersi maggiormente verso i subtropici dell’emisfero invernale. Questa configurazione modifica la struttura della guida d’onda stratosferica e tende, nella formulazione classica del meccanismo, a favorire una maggiore concentrazione dell’attività ondulatoria verso le medie e alte latitudini. Una maggiore interazione delle onde planetarie con il flusso medio polare comporta una più intensa deposizione di quantità di moto, con conseguente decelerazione dei venti occidentali del vortice e maggiore riscaldamento dinamico della stratosfera polare. Durante la QBO occidentale, al contrario, la configurazione della circolazione subtropicale permette mediamente una differente propagazione delle onde, riducendo la loro azione destabilizzante sul vortice artico.
Le ricerche successive hanno tuttavia mostrato che questa spiegazione, pur cogliendo un elemento fondamentale del problema, è probabilmente incompleta. La QBO non modifica soltanto il vento zonale equatoriale: essa genera anche una complessa circolazione meridiana secondaria costituita da anomalie alternate di moto ascendente e discendente, accompagnate da anomalie di temperatura e vento che si estendono dai Tropici verso i subtropici. Questa circolazione secondaria può modificare l’indice di rifrazione delle onde di Rossby, cioè le proprietà del mezzo atmosferico che determinano le regioni attraverso le quali le onde planetarie possono propagarsi.
Un contributo particolarmente importante in questa direzione è stato fornito da Garfinkel, Shaw, Hartmann e Waugh attraverso esperimenti numerici condotti con il modello WACCM. I loro risultati indicano che il semplice spostamento della linea critica tropicale, enfatizzato nella formulazione originaria dell’effetto Holton–Tan, non rappresenta necessariamente il principale meccanismo responsabile della risposta del vortice polare. Le modificazioni della circolazione meridiana associate alla QBO sembrano svolgere un ruolo molto importante nel cambiare la rifrazione e la convergenza dell’attività ondulatoria. Durante la fase orientale, queste modificazioni possono favorire una maggiore convergenza dell’attività delle onde planetarie nella regione del vortice, determinandone una progressiva decelerazione.
Questa interpretazione consente di considerare l’effetto Holton–Tan non come una semplice comunicazione diretta tra Equatore e Polo, ma come il risultato di una catena di interazioni dinamiche. La QBO modifica inizialmente la struttura del vento e della temperatura nella stratosfera tropicale; queste anomalie inducono una circolazione meridiana secondaria che si estende verso i subtropici; la struttura dei venti subtropicali e delle regioni di propagazione delle onde viene conseguentemente alterata; le onde planetarie provenienti dalla troposfera incontrano quindi condizioni differenti durante la loro propagazione verticale e meridionale; la loro deposizione di quantità di moto nella stratosfera extratropicale cambia e, infine, il vortice polare risponde modificando intensità, temperatura e stabilità. È dunque attraverso l’interazione onda-flusso medio che una perturbazione dinamica originariamente tropicale riesce a esercitare un’influenza a migliaia di chilometri di distanza.
Ulteriori analisi basate sulle rianalisi atmosferiche hanno rafforzato questa interpretazione. Lu e collaboratori hanno evidenziato che durante una QBO orientale nella bassa stratosfera può svilupparsi una configurazione della guida d’onda alle medie latitudini capace di aumentare sia la propagazione verticale delle onde planetarie dalla troposfera verso la stratosfera inferiore sia la loro successiva propagazione verso le alte latitudini nella stratosfera media e superiore. Il risultato è una maggiore perturbazione del vortice. Lo stesso studio ha però mostrato come l’intensità dell’effetto Holton–Tan non sia costante nel tempo. In alcuni periodi del record osservativo la relazione QBO-vortice è risultata molto più debole, suggerendo che lo stato di fondo dell’atmosfera possa amplificare o sopprimere la teleconnessione.
Anche il Rossby wave breaking, cioè la rottura delle onde di Rossby, appare strettamente coinvolto nel processo. Analizzando l’evoluzione della circolazione durante l’inverno boreale, Lu e collaboratori hanno mostrato che durante la QBO orientale l’attività delle onde planetarie può aumentare già nelle prime fasi della stagione e che le caratteristiche della rottura delle onde nella bassa stratosfera vengono modificate. Nel loro studio, la propagazione verso l’alto delle onde planetarie di numero d’onda zonale 1 risultava aumentata di circa il 25% durante la QBO orientale nelle condizioni analizzate. Questo risultato rafforza l’idea che la relazione tra QBO e vortice polare emerga dall’interazione fra la configurazione subtropicale determinata dalla QBO e l’attività ondulatoria generata principalmente nella troposfera extratropicale.
La stagione invernale deve inoltre essere considerata come un sistema dinamico in continua evoluzione. L’effetto Holton–Tan non compare necessariamente con la stessa intensità dall’inizio alla fine dell’inverno. Studi sulla circolazione autunnale indicano che le anomalie extratropicali associate alla QBO possono cominciare a svilupparsi già tra ottobre e novembre attraverso modificazioni dei flussi di Eliassen–Palm e della circolazione meridiana, per poi evolvere durante i mesi successivi. Ciò significa che la fase della QBO osservata a una singola quota e in un singolo momento non descrive completamente lo stato dinamico rilevante per il vortice polare. La struttura verticale dell’intera QBO, la posizione delle zone di massimo shear e la sua evoluzione stagionale possono essere altrettanto importanti.
È proprio questo uno dei problemi centrali sottolineati da Anstey e Shepherd: individuare quale parte verticale della QBO eserciti la maggiore influenza sulle alte latitudini. L’utilizzo convenzionale del vento equatoriale a 50 hPa come indice della fase della QBO è estremamente utile, ma rappresenta inevitabilmente una semplificazione. La QBO è una struttura tridimensionale e in continua propagazione verticale. Due inverni classificati entrambi come appartenenti alla fase orientale a 50 hPa possono presentare condizioni molto differenti nella media e alta stratosfera. Di conseguenza, la risposta del vortice potrebbe dipendere non soltanto dal segno del vento a una determinata quota, ma dalla configurazione verticale complessiva della QBO. Questa considerazione è essenziale quando si tenta di interpretare le differenze tra singoli eventi o le discrepanze fra osservazioni e simulazioni numeriche.
La situazione diventa ancora più complessa quando viene considerata l’interazione tra QBO ed ENSO, l’El Niño–Southern Oscillation. ENSO costituisce infatti un’altra importante sorgente di variabilità interannuale capace di modificare le onde planetarie che dalla troposfera raggiungono la stratosfera. El Niño, attraverso profonde modificazioni della convezione tropicale e della circolazione planetaria, può alterare la struttura delle onde di Rossby nell’emisfero boreale e influenzare il vortice polare. La QBO e ENSO non agiscono quindi necessariamente in maniera indipendente.
Analisi relativamente recenti hanno mostrato come la combinazione delle diverse fasi di QBO ed ENSO produca configurazioni differenti della circolazione stratosferica e troposferica. Kumar e collaboratori, analizzando circa quattro decenni di rianalisi ERA-Interim, hanno distinto una via stratosferica e una via troposferica attraverso le quali la QBO può influenzare l’emisfero boreale. La prima agisce soprattutto attraverso la modulazione della propagazione e dell’assorbimento delle onde planetarie nella stratosfera, mentre la seconda coinvolge direttamente l’alta troposfera e la bassa stratosfera tropicale e subtropicale. Gli autori hanno inoltre mostrato come ENSO possa modificare l’estensione meridionale e l’intensità delle anomalie associate alla circolazione secondaria della QBO. Ne emerge quindi una visione nella quale ENSO e QBO costituiscono due sorgenti di variabilità interagenti, e non semplicemente due forzanti indipendenti sommate tra loro.
Un’altra interazione particolarmente studiata riguarda il ciclo solare undecennale. Diversi lavori hanno individuato relazioni statistiche tra attività solare, fase della QBO e comportamento della stratosfera polare invernale. La grande rassegna di Gray et al. ha mostrato come i segnali associati al ciclo solare nella stratosfera boreale possano dipendere dalla fase della QBO. Storicamente sono state osservate configurazioni favorevoli a un vortice relativamente caldo e disturbato durante particolari combinazioni di minimo solare e QBO orientale o massimo solare e QBO occidentale. Tuttavia, l’interpretazione di tali relazioni richiede notevole cautela, sia per la lunghezza relativamente limitata delle osservazioni sia per la presenza contemporanea di altre forzanti, comprese le grandi eruzioni vulcaniche.
Anche la relazione tra QBO e riscaldamenti stratosferici improvvisi deve essere interpretata probabilisticamente. La vasta rassegna di Baldwin e collaboratori sugli SSW conferma che esistono associazioni statistiche tra fase della QBO e frequenza dei grandi disturbi del vortice, ma mostra contemporaneamente come ENSO, ciclo solare, attività ondulatoria troposferica e variabilità interna della stratosfera contribuiscano tutti a determinare il risultato finale di una stagione. La QBO può quindi predisporre il vortice verso una maggiore o minore vulnerabilità alle perturbazioni, ma non rappresenta da sola un meccanismo sufficiente per prevedere se un determinato inverno svilupperà un major SSW.
Questo punto assume particolare rilevanza per la previsione meteorologica stagionale e sub-stagionale. A differenza di molte forme di variabilità atmosferica, la QBO possiede una considerevole prevedibilità, poiché i suoi regimi di vento discendono lentamente nella stratosfera. Conoscere con anticipo la configurazione della QBO significa quindi disporre di una sorgente potenziale di prevedibilità per la circolazione extratropicale invernale. Garfinkel e collaboratori hanno analizzato diversi sistemi previsionali sub-stagionali mostrando che i modelli dotati di una migliore rappresentazione verticale della stratosfera riescono generalmente a riprodurre un vortice polare più debole durante la QBO orientale rispetto alla QBO occidentale. Ciò suggerisce che un’adeguata simulazione della stratosfera e delle sue interazioni con le onde planetarie possa contribuire a migliorare la previsione probabilistica della circolazione invernale dell’emisfero boreale.
L’importanza di questa teleconnessione deriva inoltre dal fatto che le anomalie del vortice polare non rimangono necessariamente confinate nella stratosfera. Quando il vortice subisce un forte indebolimento, le anomalie della circolazione possono propagarsi progressivamente verso il basso e raggiungere la troposfera, dove possono influenzare i principali regimi di circolazione delle medie latitudini. In particolare, gli eventi caratterizzati da un vortice stratosferico molto debole sono frequentemente associati, nelle settimane successive, a una maggiore probabilità di configurazioni riconducibili alla fase negativa dell’Oscillazione Artica e della North Atlantic Oscillation, anche se la risposta troposferica varia considerevolmente da un evento all’altro. In questo senso la QBO può essere interpretata come uno degli elementi di una catena di causalità potenziale: QBO tropicale, modificazione della propagazione delle onde planetarie, risposta del vortice polare, eventuale accoppiamento stratosfera-troposfera e, infine, modifica delle probabilità dei regimi meteorologici alle medie latitudini.
Il quadro diventa ancora più interessante considerando che l’influenza della QBO alle alte latitudini non riguarda soltanto la dinamica atmosferica, ma può avere conseguenze sulla composizione chimica della stratosfera polare. Un recente studio di Li e collaboratori, pubblicato nel 2026 su Atmospheric Chemistry and Physics, ha analizzato l’influenza della QBO sulle nubi stratosferiche polari artiche utilizzando osservazioni CALIPSO dal 2006 al 2021 e simulazioni SLIMCAT estese dal 1979 al 2022. I risultati indicano che durante la QBO occidentale l’area coperta dalle nubi stratosferiche polari risulta mediamente maggiore rispetto alla fase orientale. La ragione principale è collegata alle anomalie termiche: il vortice mediamente più intenso associato alla fase occidentale favorisce temperature stratosferiche artiche inferiori, creando condizioni maggiormente favorevoli alla formazione delle nubi stratosferiche polari. Gli autori hanno inoltre evidenziato modificazioni del vapore acqueo e dell’acido nitrico all’interno del vortice, mostrando come la teleconnessione QBO-Artico possa estendersi dalla dinamica alla chimica stratosferica.
Questo risultato è particolarmente significativo perché le nubi stratosferiche polari svolgono un ruolo fondamentale nei processi chimici responsabili dell’attivazione del cloro e della distruzione dell’ozono. L’effetto della QBO sul vortice polare può quindi modificare indirettamente anche l’ambiente chimico all’interno del quale avvengono le reazioni responsabili della perdita di ozono artico. La QBO emerge così come una componente della variabilità atmosferica capace di collegare fenomeni equatoriali e polari attraverso una rete di interazioni che coinvolge dinamica, trasporto e chimica stratosferica.
La crescente capacità dei modelli climatici e dei sistemi di previsione di rappresentare esplicitamente la QBO costituisce pertanto un progresso di notevole importanza. Per molti anni diversi modelli di circolazione generale non riuscivano a generare spontaneamente una QBO realistica, soprattutto a causa della risoluzione verticale insufficiente e di una rappresentazione incompleta del trasferimento di quantità di moto prodotto dalle onde atmosferiche. I moderni modelli ad alta risoluzione verticale e i chemistry-climate models sono invece progressivamente diventati capaci di simulare l’oscillazione e le sue principali teleconnessioni. Questo consente non soltanto di studiare in maniera più realistica l’effetto Holton–Tan, ma anche di analizzare separatamente il contributo dei diversi meccanismi attraverso esperimenti controllati difficilmente realizzabili utilizzando le sole osservazioni.
Nonostante decenni di ricerca, l’effetto Holton–Tan rimane dunque un problema scientifico tutt’altro che definitivamente risolto. Le evidenze disponibili indicano chiaramente l’esistenza di una relazione statistica tra la QBO tropicale e il vortice polare stratosferico boreale, ma il collegamento non può essere ridotto a un unico meccanismo. Lo spostamento delle linee critiche, le variazioni dell’indice di rifrazione delle onde planetarie, la circolazione meridiana secondaria associata alla QBO, il Rossby wave breaking, lo stato iniziale del vortice e le interazioni con ENSO, ciclo solare e variabilità troposferica contribuiscono, in proporzioni variabili, alla risposta osservata. La stessa intensità della teleconnessione può cambiare da un periodo climatico all’altro, evidenziando il carattere fortemente dipendente dallo stato di fondo del sistema atmosferico.
La principale eredità scientifica della rassegna di Anstey e Shepherd consiste proprio nell’aver mostrato quanto sia riduttivo considerare la QBO semplicemente come un’oscillazione dei venti equatoriali. Essa rappresenta invece un nodo fondamentale della dinamica della media atmosfera, capace di alterare la propagazione delle onde e di modificare la comunicazione dinamica tra Tropici ed extratropici. Il vortice polare artico non risponde passivamente a ciò che avviene nelle immediate vicinanze del Polo, ma costituisce il risultato finale di interazioni che coinvolgono l’intero emisfero e che possono avere origine a migliaia di chilometri di distanza. La stratosfera tropicale e quella polare, apparentemente separate, sono quindi parti di uno stesso sistema dinamico accoppiato.
Comprendere questa connessione è essenziale anche per interpretare correttamente la prevedibilità dell’atmosfera invernale. La QBO non determina quale configurazione meteorologica si svilupperà durante un determinato inverno, né può essere utilizzata isolatamente per prevedere la NAO, gli SSW o la severità di una stagione europea. Essa modifica invece lo stato dinamico di fondo della stratosfera e, attraverso questo, altera le probabilità associate alle diverse evoluzioni possibili del vortice polare. La sua utilità previsionale emerge quindi soprattutto quando viene considerata insieme allo stato del Pacifico tropicale, alla propagazione delle onde planetarie, alla copertura nevosa, alla circolazione troposferica, all’attività solare e agli altri elementi capaci di influenzare la stratosfera.
L’effetto Holton–Tan costituisce pertanto uno degli esempi più affascinanti di teleconnessione atmosferica: venti oscillanti nella stratosfera equatoriale possono modificare le condizioni di propagazione delle onde planetarie, influenzare un gigantesco vortice situato sopra l’Artico e, attraverso l’accoppiamento verticale dell’atmosfera, contribuire infine a modulare la circolazione delle medie latitudini. È proprio questa capacità della QBO di mettere in comunicazione regioni atmosferiche estremamente lontane a rendere il suo studio fondamentale non soltanto per comprendere la dinamica stratosferica, ma anche per migliorare la nostra conoscenza della variabilità climatica, dell’accoppiamento stratosfera-troposfera e delle sorgenti di prevedibilità meteorologica su scale temporali comprese fra alcune settimane e diversi mesi.
1. Introduzione
L’Oscillazione Quasi-Biennale, comunemente indicata con l’acronimo QBO (Quasi-Biennial Oscillation), costituisce il principale modo di variabilità dinamica della stratosfera equatoriale e rappresenta uno degli esempi più significativi di come processi ondulatori relativamente rapidi possano generare una struttura della circolazione atmosferica organizzata su scale temporali molto più lunghe. La QBO è caratterizzata dall’alternanza di regimi di vento zonale occidentale e orientale che si formano nella stratosfera tropicale superiore e discendono progressivamente verso la bassa stratosfera e la tropopausa tropicale, con una velocità media dell’ordine di circa un chilometro al mese. Un ciclo completo presenta una durata media prossima ai 28 mesi, sebbene la periodicità non sia perfettamente regolare e possa variare sensibilmente da un ciclo all’altro. La grande rassegna di Baldwin et al. (2001) ha mostrato come la QBO domini la variabilità della stratosfera equatoriale approssimativamente tra 16 e 50 km di quota, ma abbia contemporaneamente conseguenze che si estendono ben oltre i Tropici, influenzando la circolazione stratosferica, la propagazione delle onde atmosferiche, la distribuzione di specie chimiche quali ozono, vapore acqueo e metano e, attraverso differenti percorsi dinamici, anche la troposfera.
È proprio questa capacità di mettere in comunicazione regioni atmosferiche molto distanti a costituire il punto centrale della rassegna di Anstey e Shepherd, High-latitude influence of the quasi-biennial oscillation. Gli autori concentrano l’attenzione sull’influenza esercitata dalla QBO sulla circolazione atmosferica delle alte latitudini durante l’inverno, fenomeno generalmente identificato con l’espressione effetto Holton–Tan. La relazione fra la QBO tropicale e il vortice polare stratosferico è stata osservata e simulata in entrambi gli emisferi, sebbene la maggior parte della letteratura si sia storicamente concentrata sull’emisfero settentrionale, dove la maggiore attività delle onde planetarie e la più intensa variabilità interannuale del vortice rendono il sistema particolarmente dinamico. La rassegna di Anstey e Shepherd sottolinea tuttavia che, nonostante decenni di studi osservativi e modellistici, non esiste ancora un’unica spiegazione capace di descrivere completamente il modo in cui un’anomalia dei venti equatoriali possa modificare la circolazione polare. Rimangono infatti questioni aperte riguardanti i livelli verticali della QBO più importanti per l’accoppiamento, il ruolo della struttura verticale completa dell’oscillazione e l’interazione con altri importanti modi di variabilità climatica, come ENSO e il ciclo solare undecennale.
La rilevanza del problema deriva innanzitutto dall’estrema variabilità del vortice polare stratosferico invernale. Durante la notte polare, l’assenza di radiazione solare determina un forte raffreddamento radiativo della stratosfera alle alte latitudini, favorendo la formazione di un intenso gradiente meridionale di temperatura tra le regioni polari e quelle temperate. Attraverso il bilancio del vento termico questo gradiente sostiene intensi venti occidentali circumpolari, formando il vortice polare stratosferico. Tuttavia, soprattutto nell’emisfero settentrionale, il vortice è continuamente perturbato dalle onde planetarie generate nella troposfera, principalmente in relazione alla distribuzione asimmetrica dei continenti, degli oceani, dell’orografia e dei sistemi meteorologici su larga scala. Tali onde possono propagarsi verticalmente verso la stratosfera quando la struttura del vento zonale è favorevole e interagire con il flusso medio, trasferendo quantità di moto e modificando profondamente la circolazione.
La teoria fondamentale che collega l’attività ondulatoria troposferica alla variabilità del vortice polare fu sviluppata nel quadro classico degli studi di Matsuno e delle successive formulazioni dell’interazione onda-flusso medio. Quando le onde di Rossby planetarie penetrano nella stratosfera invernale e vengono assorbite, dissipate o rompono all’interno della circolazione stratosferica, esercitano una forza sul flusso zonale medio. La conseguente decelerazione dei venti occidentali è accompagnata da una circolazione meridiana residua caratterizzata da moto verso il polo e subsidenza alle alte latitudini. La compressione adiabatica dell’aria discendente produce riscaldamento dinamico della stratosfera polare, opponendosi allo stato radiativo naturale, che tenderebbe invece a mantenere un vortice estremamente freddo e intenso. In condizioni di forcing ondulatorio particolarmente forte, questo processo può culminare in un improvviso e profondo indebolimento o perfino nell’inversione dei venti occidentali stratosferici, configurando un riscaldamento stratosferico improvviso, o SSW.
I riscaldamenti stratosferici improvvisi rappresentano quindi la manifestazione più spettacolare della variabilità dinamica del vortice, ma non esauriscono l’intero spettro delle perturbazioni stratosferiche invernali. Durante ogni stagione il vortice subisce continue accelerazioni, decelerazioni, deformazioni e spostamenti in risposta alla variabilità del forcing ondulatorio. È precisamente su questo sistema altamente variabile che interviene la QBO. L’effetto Holton–Tan non deve essere interpretato come un meccanismo capace di determinare direttamente lo stato del vortice, ma piuttosto come una modulazione dello stato dinamico attraverso il quale le onde planetarie interagiscono con la stratosfera. In termini climatologici, la fase orientale della QBO nella bassa stratosfera tende a essere associata a un vortice polare boreale mediamente più debole e caldo, mentre la fase occidentale tende a essere accompagnata da un vortice mediamente più intenso e freddo. Questa relazione statistica costituisce uno dei segnali extratropicali più noti della QBO. La letteratura recente continua a riconoscere tale modulazione come una caratteristica fondamentale della relazione tra stratosfera tropicale e vortice polare.
La spiegazione classica fu proposta da Holton e Tan nel 1980 e successivamente approfondita nel 1982. Il punto centrale era rappresentato dalla capacità della QBO di modificare la posizione latitudinale della linea subtropicale di vento zonale nullo. Questa linea assume una particolare importanza dinamica perché costituisce una regione critica per le onde planetarie stazionarie. Secondo la teoria della propagazione verticale delle onde planetarie sviluppata da Charney e Drazin, le grandi onde di Rossby troposferiche possono propagarsi verticalmente attraverso venti occidentali di intensità appropriata, mentre non riescono normalmente a propagarsi attraverso regioni caratterizzate da venti orientali. Di conseguenza, una modificazione della distribuzione latitudinale del vento zonale può alterare radicalmente i percorsi disponibili per l’attività ondulatoria.
Nell’interpretazione originale di Holton e Tan, durante la fase orientale della QBO l’estensione verso i subtropici dei venti stratosferici orientali determina uno spostamento verso il polo della linea di vento nullo. Le onde planetarie provenienti dalla troposfera sarebbero quindi maggiormente confinate alle latitudini extratropicali e indirizzate verso il vortice polare. Una maggiore attività ondulatoria alle alte latitudini favorirebbe una più intensa decelerazione dei venti occidentali e un riscaldamento dinamico della regione polare, determinando quindi un vortice più debole. Durante la fase occidentale della QBO si verificherebbe invece la situazione opposta: la configurazione dei venti permetterebbe una differente distribuzione meridionale dell’attività ondulatoria e una minore concentrazione del forcing sul vortice, favorendo mediamente condizioni polari più fredde e un vortice più intenso.
Questa interpretazione esercitò un’enorme influenza sugli studi successivi, ma già Holton e Tan sottolinearono che non doveva essere considerata una spiegazione definitiva. Il problema fondamentale è che la risposta delle onde planetarie allo stato medio atmosferico è fortemente non lineare. Le onde vengono influenzate dal vento zonale attraverso cui si propagano, ma allo stesso tempo modificano quello stesso vento attraverso il trasferimento di quantità di moto. Non esiste pertanto una semplice relazione unidirezionale nella quale la QBO modifica il flusso e le onde rispondono passivamente. Il sistema evolve attraverso una continua interazione tra onde e circolazione media, particolarmente intensa nella cosiddetta surf zone stratosferica, dove le onde planetarie possono rompersi, mescolare vorticità potenziale e riorganizzare in maniera sostanziale la struttura del flusso.
Gli studi modellistici successivi hanno effettivamente mostrato che la semplice posizione della linea critica subtropicale non è sufficiente a spiegare tutta la risposta polare. Garfinkel et al. (2012), utilizzando esperimenti idealizzati con il Whole Atmosphere Community Climate Model, hanno evidenziato come il contributo della linea critica enfatizzato dall’interpretazione originaria di Holton–Tan possa risultare meno importante rispetto alle modificazioni della circolazione meridiana media associate alla QBO. La QBO, infatti, non consiste soltanto in un’alternanza verticale di venti orientali e occidentali: le variazioni dello shear verticale generano anomalie di temperatura e una caratteristica circolazione meridiana secondaria che si estende dai Tropici verso i subtropici. Queste anomalie possono modificare la struttura del vento extratropicale, l’indice di rifrazione delle onde planetarie e le regioni preferenziali di propagazione e assorbimento delle onde.
Il concetto moderno di effetto Holton–Tan deve quindi essere inteso in maniera più ampia rispetto alla formulazione originale. La QBO può modificare la propagazione delle onde attraverso variazioni del vento tropicale e subtropicale, attraverso le sue anomalie termiche, attraverso la circolazione meridiana secondaria e attraverso cambiamenti della struttura della guida d’onda stratosferica. Questi diversi processi non sono necessariamente indipendenti, ma costituiscono aspetti differenti della stessa risposta dinamica tridimensionale. Il risultato finale dipende inoltre dallo stato iniziale della stratosfera, dall’attività ondulatoria proveniente dalla troposfera e dalla fase stagionale nella quale l’interazione si sviluppa.
La scelta del livello atmosferico utilizzato per definire la QBO riveste pertanto un’importanza particolare. Storicamente molti studi hanno classificato gli inverni come QBO orientali o occidentali utilizzando il vento equatoriale intorno a 50 hPa, corrispondente approssimativamente a 20–21 km di quota. È una scelta che deriva in gran parte dal lavoro originale di Holton e Tan e che si è dimostrata estremamente utile per costruire compositi climatologici. Tuttavia, la QBO possiede una struttura verticale complessa: mentre nella bassa stratosfera può essere presente un regime orientale, più in alto possono contemporaneamente trovarsi venti occidentali, e viceversa. La posizione e l’intensità delle zone di shear cambiano continuamente nel corso del ciclo. Ne consegue che due inverni classificati entrambi come QBO-E a 50 hPa possono presentare configurazioni molto differenti nella media e alta stratosfera.
Questa osservazione assume un significato ancora maggiore alla luce di studi successivi che hanno sottolineato l’importanza delle anomalie equatoriali della media e alta stratosfera nella modulazione delle onde e del vortice. La struttura verticale completa della QBO può quindi contenere informazioni dinamiche che un singolo indice a 50 hPa non è in grado di rappresentare. Persino alcuni importanti riscaldamenti stratosferici verificatisi in condizioni apparentemente poco favorevoli secondo la classificazione tradizionale della QBO hanno riacceso l’interesse per il ruolo dei venti equatoriali alle quote superiori. Studi recenti sul vortice polare meridionale hanno evidenziato, ad esempio, come anomalie orientali nella stratosfera equatoriale superiore possano essere dinamicamente rilevanti anche quando la QBO della bassa stratosfera viene classificata come occidentale.
Le prime osservazioni di Holton e Tan, basate sul periodo relativamente breve 1962–1977, mostrarono una relazione sorprendentemente marcata tra fase della QBO e stato del vortice. Utilizzando il vento equatoriale a 50 hPa come indice, gli autori osservarono che la fase occidentale era associata mediamente ad altezze geopotenziali inferiori nella stratosfera polare e quindi a un vortice più intenso e freddo. Un risultato particolarmente interessante riguardava tuttavia il fatto che un segnale coerente sembrava estendersi fino alla troposfera e alla pressione superficiale. La differenza tra anni QBO occidentali e orientali nella configurazione del geopotenziale ricordava la struttura dei modi anulari, in particolare il Northern Annular Mode e, nel settore atlantico, la North Atlantic Oscillation.
Questa possibile proiezione della QBO sulla NAO e sui modi anulari è meteorologicamente molto importante. Se un fenomeno stratosferico tropicale altamente prevedibile fosse capace di modificare le probabilità dei principali regimi di circolazione extratropicale, la QBO potrebbe rappresentare una sorgente significativa di prevedibilità stagionale. Tuttavia, è fondamentale evitare un’interpretazione deterministica. La QBO non determina direttamente la fase della NAO né permette, isolatamente, di stabilire il carattere di un inverno europeo. Essa modifica piuttosto alcune condizioni dinamiche di fondo che possono rendere statisticamente più probabili determinate risposte del sistema atmosfera.
La possibilità di una risposta superficiale è fisicamente plausibile grazie all’accoppiamento dinamico tra stratosfera e troposfera. Quando il vortice polare viene fortemente perturbato, le anomalie della circolazione stratosferica possono persistere per settimane e propagarsi progressivamente verso quote inferiori. Gli studi sul downward coupling hanno mostrato che importanti anomalie stratosferiche possono precedere modificazioni della troposfera extratropicale e dei modi anulari. La QBO può quindi agire indirettamente sulla superficie attraverso una sequenza di processi: modifica della circolazione tropicale e subtropicale, variazione della propagazione delle onde planetarie, risposta del vortice polare, persistenza dell’anomalia stratosferica e successivo accoppiamento con la troposfera.
Un’ulteriore difficoltà nell’identificazione dell’effetto Holton–Tan deriva dalla presenza contemporanea di altre sorgenti di variabilità interannuale. ENSO rappresenta uno degli esempi più importanti. El Niño e La Niña modificano la distribuzione della convezione tropicale, le onde planetarie troposferiche, la corrente a getto e la propagazione del flusso ondulatorio verso la stratosfera. Di conseguenza, QBO ed ENSO possono interagire nello stesso sistema dinamico e i loro effetti non possono necessariamente essere considerati come semplicemente additivi. Kumar et al. (2022), analizzando quarant’anni di rianalisi ERA-Interim, hanno distinto due percorsi attraverso i quali la circolazione meridiana associata alla QBO può influenzare l’emisfero boreale invernale: una via stratosferica, collegata alla modulazione dell’assorbimento delle onde planetarie e quindi direttamente riconducibile all’effetto Holton–Tan, e una via troposferica che coinvolge l’alta troposfera e la bassa stratosfera tropicale e subtropicale. Lo stesso studio mostra che ENSO può modificare l’ampiezza e l’estensione meridionale della circolazione secondaria della QBO, alterando di conseguenza la risposta del vortice polare.
Anche il ciclo solare undecennale rappresenta una potenziale fonte di modulazione. Le variazioni dell’irraggiamento ultravioletto associate al ciclo solare modificano il riscaldamento e la distribuzione dell’ozono nella stratosfera superiore tropicale e subtropicale, producendo anomalie termiche e dinamiche che possono interagire con la QBO e con la propagazione delle onde planetarie. La separazione statistica degli effetti della QBO, del ciclo solare, di ENSO e della variabilità atmosferica interna rimane tuttavia estremamente difficile, soprattutto perché il record osservativo stratosferico affidabile copre soltanto alcune decine di anni. Per un fenomeno come la QBO, con una periodicità di circa 28 mesi, e per un ciclo solare di circa undici anni, il numero di combinazioni indipendenti disponibili nelle osservazioni rimane relativamente piccolo.
Questa limitazione statistica è uno degli aspetti centrali evidenziati da Anstey e Shepherd. La relazione particolarmente forte tra QBO e vortice osservata nel periodo originariamente analizzato da Holton e Tan non è risultata altrettanto intensa nell’intero periodo successivo. Il segnale tende inoltre a essere più robusto all’inizio dell’inverno rispetto alla parte finale della stagione. Ciò non significa che l’effetto Holton–Tan non esista, ma dimostra che la sua manifestazione è condizionata dalla variabilità interna del sistema e dalle altre forzanti presenti contemporaneamente. La stratosfera invernale boreale è un sistema altamente non lineare, nel quale piccole differenze nella propagazione delle onde possono produrre evoluzioni stagionali radicalmente diverse.
I modelli numerici hanno pertanto assunto un ruolo fondamentale nello studio dell’accoppiamento QBO-vortice. I modelli meccanicistici consentono di isolare determinati processi imponendo anomalie tropicali controllate, ma la semplificazione necessaria può rendere difficile il confronto diretto con l’atmosfera reale. I modelli generali di circolazione offrono invece una rappresentazione più completa della troposfera, della stratosfera e delle loro interazioni, ma per molti anni hanno incontrato serie difficoltà nella simulazione spontanea della QBO. La capacità di generare una QBO realistica richiede infatti un’adeguata risoluzione verticale e una corretta rappresentazione del trasporto di quantità di moto da parte di onde di Kelvin, onde miste Rossby-gravità e onde di gravità su scale che non sempre sono esplicitamente risolte dai modelli.
Il progresso compiuto negli ultimi decenni è stato notevole. Modelli climatici e sistemi Earth System di nuova generazione sono sempre più frequentemente capaci di simulare una QBO autonoma e di studiarne le teleconnessioni. Tuttavia, rimangono problemi soprattutto nella bassa stratosfera tropicale, proprio nella regione che risulta cruciale per diverse teleconnessioni della QBO. Un lavoro pubblicato nel 2026 sottolinea come anche modelli climatici avanzati possano ancora rappresentare in maniera insufficiente la QBO tra circa 100 e 50 hPa e come tali errori possano contribuire a una sottostima della correlazione Holton–Tan e della variabilità stratosferica artica di inizio inverno. Questo punto conferma quanto l’accuratezza della struttura verticale della QBO non rappresenti una questione puramente tropicale, ma possa avere implicazioni dirette sulla capacità dei modelli di simulare correttamente il clima delle medie e alte latitudini.
L’interesse non riguarda soltanto l’Artico. Anche nell’emisfero meridionale sono state documentate relazioni tra QBO e vortice polare antartico, sebbene la diversa struttura stagionale e la minore attività delle onde planetarie producano caratteristiche differenti rispetto all’emisfero boreale. Un recente studio di Wang et al. (2025) ha esaminato l’azione congiunta della fase occidentale della QBO e dei venti delle medie latitudini sul vortice antartico e sull’ozono, evidenziando come la configurazione extratropicale durante la QBO occidentale possa fornire informazioni sulla successiva evoluzione del vortice e del buco dell’ozono antartico. Il lavoro conferma inoltre la persistente rilevanza del paradigma Holton–Tan per comprendere il collegamento dinamico tra QBO, onde planetarie e circolazione polare anche nell’emisfero meridionale.
L’influenza della QBO alle alte latitudini assume quindi un significato che va oltre la pura dinamica atmosferica. Lo stato del vortice controlla infatti temperature, trasporto e isolamento delle masse d’aria polari, con conseguenze importanti sulla chimica dell’ozono. La rassegna di Baldwin et al. aveva già evidenziato come, attraverso la modulazione della propagazione delle onde extratropicali e della stabilità dei vortici invernali, la QBO possa contribuire a influenzare la severità della perdita di ozono alle alte latitudini. Studi più recenti continuano a collegare la fase della QBO alle variazioni del trasporto verso la stratosfera polare e alla struttura dei vortici, confermando come dinamica e composizione chimica siano strettamente interconnesse.
La QBO deve quindi essere interpretata come una componente di un sistema atmosferico globale e accoppiato. Un’alternanza di venti originata nella stratosfera equatoriale può modificare la circolazione meridiana tropicale, alterare i venti subtropicali, cambiare le condizioni di propagazione delle onde di Rossby, influenzare il vortice polare e, in determinate circostanze, contribuire a variazioni della circolazione troposferica e del clima superficiale. Nessun singolo anello di questa catena può tuttavia essere considerato rigidamente deterministico. L’esito finale dipende dall’interazione tra QBO, attività ondulatoria troposferica, ENSO, ciclo solare, stato del vortice e variabilità atmosferica interna.
È precisamente questa complessità a rendere l’effetto Holton–Tan uno dei problemi più affascinanti della dinamica della media atmosfera. L’idea fondamentale formulata da Holton e Tan, secondo cui la QBO tropicale possa modificare il comportamento della stratosfera extratropicale attraverso la modulazione delle onde planetarie, continua a essere sostenuta dalle osservazioni e dai modelli. Ciò che si è evoluto è la comprensione del meccanismo: dalla visione relativamente semplice basata sullo spostamento della linea subtropicale di vento nullo si è passati a un quadro nel quale la struttura verticale completa della QBO, la sua circolazione meridiana secondaria, la rifrazione e la rottura delle onde di Rossby, le condizioni del flusso medio e l’interazione con altre sorgenti di variabilità concorrono alla risposta delle alte latitudini.
La rassegna di Anstey e Shepherd costituisce, in questo contesto, un punto di sintesi particolarmente importante. Pubblicata come articolo di rassegna nel Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, essa raccoglie e confronta osservazioni e simulazioni allo scopo di comprendere quali aspetti della relazione QBO-vortice siano robusti e quali rimangano incerti. Gli autori evidenziano esplicitamente che il vortice polare invernale presenta una correlazione interannuale con la fase dei venti stratosferici tropicali, ma sottolineano contemporaneamente le persistenti incertezze riguardanti i livelli della QBO più influenti e le interazioni con ENSO e ciclo solare.
A più di un decennio dalla pubblicazione della rassegna, questi interrogativi mantengono gran parte della loro attualità. I modelli sono divenuti più sofisticati, le rianalisi sono state estese e migliorate e la capacità di rappresentare la QBO è aumentata considerevolmente, ma la riproduzione quantitativa dell’effetto Holton–Tan continua a costituire un importante banco di prova per i modelli climatici. La ricerca contemporanea conferma che la QBO modula il vortice polare e possiede teleconnessioni che raggiungono stratosfera e troposfera extratropicali, ma mostra anche come l’intensità e perfino la forma spaziale della risposta dipendano dallo stato atmosferico nel quale l’oscillazione è inserita.
Lo studio dell’influenza della QBO sulle alte latitudini assume infine una particolare importanza nel campo della prevedibilità stagionale. La QBO presenta infatti una memoria molto maggiore rispetto alla maggior parte della variabilità meteorologica troposferica: la lenta propagazione verso il basso dei suoi regimi di vento rende possibile prevederne con mesi di anticipo una parte significativa dell’evoluzione. Se questa informazione viene correttamente assimilata dai modelli e combinata con lo stato di ENSO, del vortice polare, delle onde planetarie e delle altre componenti del sistema climatico, può contribuire a migliorare le previsioni probabilistiche della circolazione invernale. Non si tratta di utilizzare la QBO come semplice indicatore deterministico di un inverno freddo, mite, zonale o antizonale, ma di sfruttarla come una delle condizioni di fondo capaci di modificare la distribuzione di probabilità delle possibili evoluzioni atmosferiche.
In questo senso, l’effetto Holton–Tan rappresenta molto più di una semplice correlazione statistica fra venti equatoriali e vortice polare. Esso costituisce una manifestazione concreta dell’interconnessione dinamica dell’atmosfera globale e dimostra come la prevedibilità delle alte latitudini possa dipendere da processi che hanno origine nella stratosfera tropicale. Comprendere la natura di questa connessione significa quindi affrontare contemporaneamente problemi fondamentali di dinamica delle onde, interazione onda-flusso medio, accoppiamento Tropici-extratropici, variabilità del vortice polare, comunicazione stratosfera-troposfera e prevedibilità climatica stagionale. È proprio l’integrazione di questi elementi che rende lo studio della QBO e della sua influenza alle alte latitudini uno dei campi più rilevanti e ancora attivi della moderna dinamica atmosferica.
Figura 1 – Struttura verticale, propagazione discendente e rappresentazione di fase dell’Oscillazione Quasi-Biennale
La Figura 1 costituisce una rappresentazione particolarmente efficace della struttura spazio-temporale dell’Oscillazione Quasi-Biennale e introduce uno dei concetti fondamentali per comprendere l’influenza della QBO sulla circolazione extratropicale: la fase dell’oscillazione non può essere descritta in maniera completa osservando semplicemente il segno del vento equatoriale a un singolo livello della stratosfera. L’immagine elaborata da Anstey e Shepherd combina infatti una classica sezione tempo-quota del vento zonale equatoriale con una rappresentazione nello spazio delle fasi, permettendo di visualizzare contemporaneamente la propagazione verticale dell’oscillazione, lo sfasamento esistente tra i differenti livelli di pressione e la posizione occupata dalla QBO durante i mesi cruciali per la formazione e l’evoluzione dei vortici polari invernali. Questa impostazione è strettamente collegata alla questione centrale affrontata dagli autori: stabilire quali porzioni verticali della QBO siano maggiormente responsabili della teleconnessione con le alte latitudini nota come effetto Holton–Tan.
Il pannello (a) presenta il vento zonale medio zonale equatoriale mensile, mediato nella ristretta fascia compresa tra 2°S e 2°N, dal 1958 al 2008. I dati provengono dalle rianalisi ECMWF, utilizzando ERA-40 da gennaio 1958 ad agosto 2002 ed ERA-Interim da settembre 2002 a dicembre 2008. L’asse verticale è espresso in pressione, da 100 hPa nella parte inferiore fino a 1 hPa nella parte superiore, e corrisponde approssimativamente a una fascia atmosferica compresa tra la regione della tropopausa tropicale e la stratosfera superiore. Le tonalità blu rappresentano venti zonali orientali, quindi valori negativi della componente zonale, mentre le tonalità rosse identificano venti occidentali. La scala cromatica mostra come l’intensità dei venti possa raggiungere diverse decine di metri al secondo, mentre le isolinee consentono di seguire con precisione l’evoluzione dei differenti regimi. È immediatamente evidente una sequenza quasi regolare di bande rosse e blu inclinate dall’alto verso il basso: questa geometria costituisce la firma visiva della propagazione discendente della QBO.
La QBO domina infatti la variabilità dinamica della stratosfera equatoriale tra circa 16 e 50 km e si manifesta attraverso l’alternanza di regimi occidentali e orientali che hanno origine alle quote superiori e successivamente discendono verso la bassa stratosfera. Baldwin et al. hanno descritto questa caratteristica come uno degli aspetti fondamentali dell’oscillazione: il periodo medio dell’intero ciclo è prossimo a 28 mesi, ma presenta una variabilità significativa da un ciclo all’altro. La Figura 1 rende evidente proprio questa combinazione di regolarità e irregolarità. Le bande alternate ricorrono continuamente durante l’intero periodo osservativo, ma la loro inclinazione, durata, ampiezza e velocità di discesa non sono costanti. La QBO deve pertanto essere concepita come un’oscillazione quasi periodica e non come un ciclo perfettamente biennale governato da un semplice orologio atmosferico.
La propagazione verso il basso dei regimi di vento costituisce la conseguenza macroscopica dell’interazione fra il flusso zonale medio e un ampio spettro di onde atmosferiche che si propagano dalla troposfera tropicale verso la stratosfera. Onde di Kelvin, onde miste Rossby-gravità, onde inerziali-gravità e onde di gravità su scale più piccole trasportano quantità di moto verticale. Il loro assorbimento e la loro dissipazione producono accelerazioni alternativamente orientali e occidentali del flusso zonale medio. Il meccanismo fondamentale, formulato nei lavori classici di Lindzen e Holton e di Holton e Lindzen e successivamente sviluppato dalla letteratura sulla QBO, implica un processo di filtraggio selettivo delle onde da parte dei venti già esistenti. Il risultato è la progressiva discesa delle zone di massimo shear e dei regimi di vento. La QBO rappresenta pertanto un esempio paradigmatico di oscillazione del flusso medio generata da onde con scale temporali molto più brevi del periodo dell’oscillazione risultante. La grande rassegna di Baldwin et al. sottolinea proprio questa natura ondulatoria della QBO e il fatto che lo studio dell’oscillazione sia inseparabile da quello delle onde che la generano e che, a loro volta, vengono filtrate dalla sua struttura del vento.
Osservando attentamente il pannello (a), è possibile notare come la propagazione verso il basso non avvenga con identiche caratteristiche durante la fase orientale e quella occidentale. Le transizioni presentano forme differenti, i regimi possono rallentare temporaneamente la loro discesa e l’ampiezza varia notevolmente con la quota. Questa asimmetria deriva dalla combinazione fra forcing ondulatorio, circolazione residua tropicale e ciclo stagionale. La velocità media di discesa, dell’ordine di circa 1 km al mese, rappresenta quindi soltanto una descrizione climatologica. Localmente e durante specifici intervalli temporali la propagazione può essere più rapida o più lenta. La Figura 1 consente di osservare direttamente questa irregolarità lungo oltre cinque decenni.
Le bande verticali evidenziate nel pannello (a) corrispondono ai mesi compresi tra settembre e dicembre. Questa scelta non è puramente grafica, ma è strettamente legata all’obiettivo dello studio. Nell’emisfero settentrionale questi mesi comprendono l’autunno e l’inizio dell’inverno, cioè il periodo durante il quale il vortice polare stratosferico boreale si forma e progressivamente si intensifica. Nell’emisfero meridionale corrispondono invece alla primavera, quando il vortice antartico si avvicina alla fase finale della propria evoluzione stagionale. Evidenziare settembre-dicembre permette quindi agli autori di mettere in relazione la struttura verticale della QBO con fasi stagionali cruciali per i due vortici polari.
Questa distinzione temporale è particolarmente importante nell’emisfero settentrionale, dove l’effetto Holton–Tan mostra una marcata dipendenza stagionale. Gli studi classici e successivi hanno indicato che la relazione tra fase della QBO e attività delle onde planetarie è spesso più chiara durante l’inizio dell’inverno. Lu et al., riesaminando la modulazione delle onde planetarie durante l’inverno boreale, ricordano che Holton e Tan riscontrarono una maggiore ampiezza dell’onda planetaria zonale 1 alle alte latitudini durante condizioni di QBO orientale in novembre-dicembre, mentre la struttura della risposta diveniva differente nella seconda parte dell’inverno. Ciò sottolinea come non sia sufficiente conoscere la fase generale della QBO: occorre sapere quale configurazione verticale essa presenti nel momento in cui il vortice si sta formando e in cui le onde planetarie iniziano a interagire intensamente con la stratosfera.
Un aspetto estremamente importante del pannello (a) è la presenza simultanea di venti di segno opposto a quote differenti. In un determinato momento può essere presente, per esempio, un regime occidentale nella bassa stratosfera e contemporaneamente un regime orientale nella media o alta stratosfera. Successivamente il regime superiore discende e sostituisce quello inferiore. Questa caratteristica dimostra perché definire semplicemente un inverno come QBO-E o QBO-W utilizzando un singolo livello di pressione costituisca inevitabilmente una semplificazione. Un indice costruito a 50 hPa può indicare una fase orientale mentre 20 o 10 hPa si trovano già nella fase occidentale successiva. La struttura dinamica disponibile per interagire con la propagazione delle onde planetarie non è dunque definita unicamente dal vento alla quota scelta per la classificazione.
Il pannello (b) affronta precisamente questo problema attraverso la rappresentazione della QBO nello spazio delle fasi. Anstey e Shepherd utilizzano il metodo introdotto da Wallace, Panetta ed Estberg nel 1993, nel quale l’oscillazione viene descritta considerando simultaneamente la sua struttura verticale anziché un’unica serie temporale a pressione costante. Wallace et al. svilupparono una rappresentazione della QBO mediante funzioni ortogonali empiriche, mostrando che la sua evoluzione può essere efficacemente rappresentata come una traiettoria nello spazio delle fasi. Nel caso della Figura 1, l’angolo di fase è calcolato utilizzando i venti mensili destagionalizzati delle rianalisi ECMWF tra 70 e 10 hPa, su cinque livelli verticali, e viene normalizzato tra 0 e 1. Passare progressivamente da 0 a 1 equivale a compiere un ciclo completo della QBO; per la natura ciclica della variabile, 1 e 0 rappresentano quindi lo stesso punto della traiettoria, ma appartenente a cicli consecutivi.
Questa rappresentazione consente di superare la divisione binaria tra QBO orientale e occidentale. Invece di assegnare a ciascun mese soltanto una delle due categorie, l’angolo di fase permette di determinare in quale punto dell’intero ciclo verticale si trovi l’atmosfera equatoriale. Il vantaggio concettuale è considerevole. Due mesi con un vento di −15 m/s a 50 hPa potrebbero trovarsi in parti differenti del ciclo: in uno il regime orientale potrebbe essere ancora in fase di intensificazione e discesa, mentre nell’altro potrebbe essere già prossimo alla transizione verso un successivo regime occidentale. L’utilizzo dell’informazione verticale permette di distinguere situazioni che un indice monolivello considererebbe equivalenti.
Nel pannello (b), sull’asse orizzontale sono rappresentati i venti equatoriali a 10, 20, 30 e 50 hPa, corrispondenti approssimativamente a 32, 27, 25 e 21 km di quota. I diversi colori permettono di seguire l’evoluzione dei quattro livelli lungo l’angolo di fase. Poiché quest’ultimo aumenta quasi monotonamente nel tempo, lo spostamento verticale dal basso verso l’alto equivale sostanzialmente a procedere temporalmente attraverso un ciclo della QBO. Le traiettorie dei quattro livelli non coincidono, ma sono chiaramente sfasate. Le variazioni osservate a 10 hPa precedono quelle a 20 hPa, che a loro volta precedono quelle a 30 e 50 hPa. È la stessa propagazione discendente osservata nel pannello (a), rappresentata però in una forma molto più adatta a descrivere quantitativamente la fase dell’oscillazione.
La possibilità di tracciare idealmente una linea orizzontale attraverso il pannello (b) è particolarmente istruttiva. Tutti i punti incontrati lungo tale linea rappresentano i venti esistenti simultaneamente ai quattro livelli. In questo modo si ottiene una sorta di profilo verticale istantaneo della QBO. In alcune fasi del ciclo i venti possono avere lo stesso segno in gran parte della stratosfera; in altre, la bassa e l’alta stratosfera presentano regimi opposti. È precisamente questa struttura verticale a modificare il campo termico tropicale e subtropicale, la circolazione meridiana secondaria e le condizioni di propagazione delle onde.
Il collegamento con l’effetto Holton–Tan diventa a questo punto evidente. L’interpretazione originaria di Holton e Tan poneva grande enfasi sulla modificazione della linea subtropicale di vento zonale nullo e quindi sulle condizioni di propagazione delle onde planetarie stazionarie. Una QBO orientale nella bassa stratosfera tendeva a essere associata a uno spostamento verso il polo della regione critica e a un maggiore confinamento dell’attività ondulatoria alle latitudini extratropicali, favorendo un vortice polare più disturbato e debole. Tuttavia, studi successivi hanno mostrato che il meccanismo è più complesso. Gli esperimenti idealizzati di Garfinkel et al. con WACCM hanno indicato che l’effetto della linea critica nella sua formulazione più semplice è probabilmente meno importante della circolazione meridiana media associata ai venti della QBO. In particolare, anomalie orientali nella bassa stratosfera possono modificare la convergenza dei flussi di Eliassen–Palm e creare condizioni favorevoli a una maggiore deposizione di quantità di moto ondulatoria nella regione del vortice polare.
La Figura 1 permette quindi di comprendere perché sia necessario interrogarsi su quale livello della QBO controlli maggiormente la risposta extratropicale. Se la QBO fosse una semplice colonna di vento uniforme, la scelta di 50, 30 o 20 hPa avrebbe un’importanza limitata. Ma poiché l’oscillazione presenta forti shear verticali e un continuo sfasamento tra quote diverse, ciascun livello può rappresentare uno stadio differente dell’evoluzione complessiva. Questo problema è uno degli interrogativi esplicitamente evidenziati da Anstey e Shepherd: la correlazione osservata tra QBO e vortice polare è robusta, ma non è immediatamente evidente quale parte della struttura verticale tropicale debba essere considerata la sorgente dinamicamente più rilevante.
Il pannello (c) aggiunge infine la dimensione stagionale mostrando esclusivamente i valori dell’angolo di fase relativi a settembre, ottobre, novembre e dicembre dal 1958 al 2010. I punti blu corrispondono a settembre, quelli verdi a ottobre, quelli rosso scuro a novembre e quelli rossi a dicembre. Per ciascun anno si osserva normalmente una progressione verso valori maggiori dell’angolo di fase, coerente con l’avanzamento temporale. Raggiunto il valore unitario, la fase ricompare nella parte inferiore del grafico, vicino allo zero, perché la QBO ha completato un ciclo.
La particolare geometria del pannello deve essere interpretata come una rappresentazione periodica. Il tempo procede da sinistra verso destra passando da un anno al successivo, ma anche dal basso verso l’alto all’interno del singolo ciclo. Come sottolineano gli autori, il grafico può essere immaginato come la proiezione su un piano di una superficie cilindrica: l’evoluzione della QBO si avvolgerebbe attorno al cilindro seguendo una traiettoria elicoidale. Questa analogia aiuta a comprendere perché i valori 0 e 1 siano fisicamente equivalenti e perché l’apparente salto dall’alto verso il basso non rappresenti una brusca discontinuità dell’atmosfera, ma semplicemente il completamento matematico di un ciclo.
La distribuzione dei punti mostra anche un altro aspetto essenziale: la QBO non è sincronizzata con il ciclo annuale. Poiché la sua periodicità media è di circa 28 mesi e non di 24, la fase presente nell’autunno di un determinato anno slitta progressivamente rispetto alle stagioni. Nel corso del lungo record osservativo, settembre-dicembre possono quindi campionare praticamente tutte le fasi della QBO. Questa caratteristica è estremamente utile per le analisi statistiche delle teleconnessioni, poiché consente di confrontare molti inverni caratterizzati da configurazioni differenti della stratosfera tropicale.
Allo stesso tempo, il ciclo annuale non è completamente irrilevante per la QBO. La velocità di discesa dei regimi di vento e determinate caratteristiche della struttura dell’oscillazione presentano una modulazione stagionale. Studi più recenti continuano a evidenziare interazioni tra QBO e ciclo annuale, mostrando che una rappresentazione continua della fase può fornire informazioni che vengono perse quando l’oscillazione è trattata esclusivamente attraverso categorie orientali e occidentali. Analisi moderne basate su tecniche di decomposizione dinamica hanno infatti riesaminato proprio l’interazione tra ciclo annuale e QBO, nonché le sue implicazioni per l’effetto Holton–Tan.
Un ulteriore elemento di interesse è dato dall’apparente regolarità della QBO durante il periodo mostrato. La Figura 1 appartiene a un lavoro pubblicato prima delle famose interruzioni anomale della QBO osservate successivamente nel XXI secolo e offre quindi una rappresentazione di quello che per molti decenni era stato considerato uno degli oscillatori naturali più regolari dell’atmosfera. Pur mostrando variazioni nella durata e nella velocità di discesa dei singoli cicli, la sequenza orientale-occidentale rimane chiaramente riconoscibile lungo l’intero intervallo 1958–2008. Ciò contribuì storicamente a rendere la QBO una sorgente particolarmente interessante di prevedibilità atmosferica: una volta nota la sua configurazione verticale, la lenta propagazione discendente permette di anticiparne con una certa affidabilità lo stato nei mesi successivi.
Questa prevedibilità acquista particolare valore quando si considera che la QBO può influenzare il vortice polare e, indirettamente, la circolazione troposferica. Baldwin et al. evidenziarono già nella loro rassegna come la QBO, pur essendo essenzialmente un fenomeno tropicale, possa influenzare la circolazione stratosferica da un polo all’altro modulando l’interazione con le onde extratropicali. Gli stessi autori sottolinearono inoltre come, attraverso l’influenza sul vortice polare, esista un percorso fisicamente plausibile mediante il quale il segnale della QBO possa raggiungere il clima superficiale.
È però fondamentale interpretare questo concetto in termini probabilistici. La Figura 1 non suggerisce che una determinata configurazione della QBO determini inevitabilmente lo stato futuro del vortice polare. Il vortice boreale è sottoposto a una forte variabilità interna e all’azione contemporanea di ENSO, attività ondulatoria troposferica, ciclo solare e numerosi altri processi. La QBO modifica piuttosto l’ambiente dinamico nel quale le onde planetarie si propagano e interagiscono con il flusso medio, alterando le probabilità di determinati stati stratosferici. Anche gli studi più recenti sui modelli climatici continuano a mostrare differenze fra la tempistica dell’effetto Holton–Tan simulata e quella osservata, in particolare con una risposta spesso troppo debole o ritardata nei modelli durante novembre e dicembre. Ciò conferma quanto la corretta rappresentazione della struttura verticale e della stagionalità della QBO rimanga fondamentale per riprodurre realisticamente le sue teleconnessioni extratropicali.
Nel suo complesso, dunque, la Figura 1 deve essere letta non soltanto come una descrizione dell’Oscillazione Quasi-Biennale, ma come la base dinamica dell’intera discussione sviluppata da Anstey e Shepherd. Il pannello (a) dimostra che la QBO è un sistema di regimi di vento orientale e occidentale che discendono attraverso la stratosfera tropicale; il pannello (b) dimostra che differenti livelli atmosferici occupano simultaneamente differenti stadi dell’oscillazione e che una rappresentazione continua nello spazio delle fasi è più completa di una classificazione binaria; il pannello (c) collega questa evoluzione ai mesi nei quali i vortici polari attraversano fasi cruciali del loro ciclo stagionale. La conseguenza scientifica fondamentale è che la “fase della QBO” non costituisce un’unica proprietà del sistema atmosferico indipendente dalla quota. Essa rappresenta piuttosto una struttura verticale in continua evoluzione, nella quale l’interazione tra venti orientali e occidentali, shear verticale, circolazione meridiana e propagazione ondulatoria può modificare le condizioni dinamiche ben oltre la stratosfera equatoriale.
È proprio questa struttura tridimensionale e temporalmente evolutiva a fornire il presupposto fisico per comprendere l’influenza della QBO sulle alte latitudini. La lenta discesa dei regimi di vento crea configurazioni tropicali e subtropicali differenti da un inverno all’altro; queste modificano la circolazione media e le proprietà di propagazione delle onde di Rossby; le onde, a loro volta, regolano attraverso la deposizione di quantità di moto l’intensità del vortice polare. La Figura 1 rappresenta quindi il punto di partenza indispensabile per interpretare l’effetto Holton–Tan: prima di chiedersi come la QBO influenzi il Polo, è necessario comprendere che cosa significhi realmente definire la QBO e quale parte della sua complessa struttura verticale stia interagendo con la circolazione extratropicale in un determinato momento.
Figura 2 – Influenza della QBO sulla circolazione troposferica extratropicale e sui modi anulari dei due emisferi
La Figura 2 di Anstey e Shepherd rappresenta uno dei passaggi più significativi nello studio dell’influenza extratropicale dell’Oscillazione Quasi-Biennale, perché mostra come la relazione fra QBO e circolazione atmosferica non si esaurisca nella stratosfera tropicale o nella modulazione del vortice polare, ma possa essere riconoscibile anche nella troposfera inferiore, fino a livelli prossimi alla superficie. I due pannelli mettono a confronto la circolazione media durante la fase occidentale e quella orientale della QBO nei due emisferi e mostrano una risposta spaziale che ricorda in modo evidente i principali modi anulari: il Northern Annular Mode nell’emisfero settentrionale e il Southern Annular Mode nell’emisfero meridionale. La figura costituisce quindi un collegamento concettuale fra la dinamica della QBO tropicale, l’effetto Holton–Tan, la variabilità dei vortici polari e l’accoppiamento stratosfera–troposfera, tutti processi che concorrono a determinare una parte della variabilità atmosferica extratropicale su scala stagionale. La stessa rassegna di Anstey e Shepherd identifica proprio il possibile collegamento fra QBO, vortice polare, modi anulari e prevedibilità stagionale come uno degli aspetti più importanti e, contemporaneamente, più complessi della teleconnessione QBO–alte latitudini.
Il pannello (a) mostra la differenza composita tra fase occidentale e fase orientale della QBO, indicata come W–E, dell’altezza geopotenziale media di gennaio a 1000 hPa nell’emisfero settentrionale. Si tratta dunque di una grandezza costruita sottraendo il campo medio degli inverni caratterizzati da QBO orientale da quello degli inverni caratterizzati da QBO occidentale. La fase della QBO viene determinata utilizzando il segno del vento zonale equatoriale a 50 hPa nel mese di gennaio. Il campione comprende 32 inverni classificati come occidentali e 22 classificati come orientali. Le anomalie rappresentate dai colori devono pertanto essere lette con particolare attenzione: le tonalità blu indicano zone nelle quali l’altezza geopotenziale è mediamente inferiore durante la QBO occidentale rispetto alla QBO orientale, mentre le tonalità rosse identificano regioni nelle quali l’altezza geopotenziale è maggiore durante la fase occidentale.
La caratteristica dominante è costituita da una vasta area di geopotenziale negativo centrata sulle alte latitudini artiche, circondata a latitudini inferiori da anomalie prevalentemente positive. La configurazione assume quindi una struttura approssimativamente anulare. Questo risultato è particolarmente significativo perché ricorda fortemente la fase positiva del Northern Annular Mode, ossia il principale modo di variabilità della circolazione extratropicale boreale caratterizzato, nella sua espressione superficiale, da anomalie relativamente basse di pressione alle alte latitudini e anomalie di segno opposto alle medie latitudini. Nel settore nord-atlantico, la configurazione presenta inoltre evidenti analogie con la fase positiva della North Atlantic Oscillation. La figura suggerisce pertanto che, nel composito considerato, gli inverni caratterizzati da QBO occidentale tendano a mostrare una circolazione più spostata verso il lato positivo del NAM rispetto agli inverni QBO orientali.
Questo risultato deve essere interpretato nel contesto dell’effetto Holton–Tan. Gli studi originari di Holton e Tan avevano mostrato che durante la fase occidentale della QBO il geopotenziale stratosferico alle alte latitudini risultava mediamente inferiore rispetto alla fase orientale, indicando un vortice polare più intenso e più freddo. Nel loro lavoro del 1980, basato sul periodo 1962–1977, Holton e Tan trovarono una differenza statisticamente significativa nell’altezza geopotenziale a 50 hPa tra le due fasi e proposero che la QBO potesse modulare la propagazione delle onde planetarie attraverso variazioni della posizione della linea subtropicale di vento zonale nullo. Lo stesso studio evidenziò inoltre importanti differenze nell’ampiezza delle onde planetarie, con un’onda zonale 1 più intensa in inizio inverno durante la QBO orientale. La Figura 2 di Anstey e Shepherd estende questo quadro mostrando che la firma statistica associata alla fase della QBO può essere riconosciuta anche molto più in basso nell’atmosfera.
Le linee verdi del pannello (a) rappresentano il campo climatologico dell’altezza geopotenziale a 1000 hPa nel mese di gennaio e consentono di collocare le anomalie QBO rispetto alla struttura media della circolazione. Esse sono importanti perché evidenziano come il segnale W–E non assuma una distribuzione spaziale casuale, ma si organizzi rispetto alla climatologia emisferica secondo una struttura dinamicamente coerente. Le anomalie negative polari e quelle positive alle medie latitudini si dispongono infatti in modo tale da richiamare una variazione della forza del gradiente meridionale della pressione e, quindi, della componente zonale della circolazione extratropicale.
Particolarmente importante è anche la significatività statistica, indicata dai contorni bianchi. Le linee tratteggiate delimitano regioni significative al 90%, mentre quelle continue corrispondono al 95%, secondo un test t di Student a due code applicato alle medie mensili e assumendo l’indipendenza fra gli anni. Questa informazione impedisce di interpretare ogni dettaglio cromatico come ugualmente robusto. Alcune aree della mappa mostrano differenze relativamente elevate ma statisticamente meno solide, mentre altre presentano un segnale che supera le soglie convenzionali di significatività. In un sistema atmosferico caratterizzato da una variabilità interannuale molto intensa, soprattutto nell’emisfero settentrionale, questa distinzione è fondamentale.
Il pannello (a) assume inoltre un particolare valore storico perché aggiorna l’analisi originaria di Holton e Tan utilizzando un record molto più lungo. La relazione individuata nel periodo 1962–1977 era infatti così marcata da sollevare interrogativi sulla sua robustezza rispetto all’estensione del campione. Anstey e Shepherd utilizzano invece le rianalisi ECMWF fino al 2011 e mostrano che una struttura coerente continua a emergere, pur sottolineando nel complesso della loro rassegna che l’intensità dell’effetto Holton–Tan non è stazionaria e che alcune caratteristiche risultano più robuste in determinati periodi e fasi stagionali rispetto ad altri. La revisione degli autori insiste proprio sul fatto che il record osservativo disponibile resta relativamente breve rispetto alle scale temporali della QBO, del ciclo solare e di altre sorgenti di variabilità, rendendo difficile separare statisticamente tutti i contributi.
Dal punto di vista dinamico, il collegamento con il NAM è coerente con la teoria dell’accoppiamento stratosfera–troposfera. Durante una QBO occidentale, il vortice polare stratosferico boreale tende mediamente a essere più intenso rispetto alla fase orientale; durante la QBO orientale, al contrario, aumenta la tendenza verso un vortice più debole e maggiormente disturbato. Se le anomalie stratosferiche sono sufficientemente persistenti, esse possono essere seguite da modificazioni della circolazione troposferica che presentano una struttura simile ai modi anulari. Baldwin e Dunkerton mostrarono in un lavoro fondamentale del 2001 che grandi anomalie della circolazione stratosferica possono propagarsi verso la bassa stratosfera ed essere seguite da configurazioni troposferiche e superficiali simili all’Arctic Oscillation. Nei circa sessanta giorni successivi a importanti anomalie stratosferiche, le distribuzioni di pressione superficiale mostravano infatti una chiara proiezione sui pattern dell’Arctic e della North Atlantic Oscillation, accompagnata da variazioni nella posizione delle storm tracks e nella probabilità di determinati regimi meteorologici alle medie latitudini.
La Figura 2 deve tuttavia essere interpretata con cautela rispetto alla causalità. Essa mostra una relazione composita fra fase della QBO e circolazione troposferica, non dimostra che la QBO a 50 hPa determini direttamente le anomalie osservate a 1000 hPa. Il percorso dinamico più plausibile è molto più articolato. La QBO modifica inizialmente i venti e le temperature della stratosfera tropicale e subtropicale; attraverso la circolazione meridiana secondaria e le variazioni delle proprietà di propagazione delle onde planetarie può modificare l’attività ondulatoria che raggiunge la stratosfera extratropicale; questa attività influenza intensità e struttura del vortice polare; successivamente, attraverso l’interazione onde–flusso medio e l’accoppiamento stratosfera–troposfera, una parte dell’anomalia può proiettarsi sui modi naturali della circolazione troposferica. Il risultato finale è quindi il prodotto di una catena di processi piuttosto che di un collegamento diretto Equatore–superficie.
Anche gli studi modellistici hanno sostenuto l’esistenza di questa relazione, pur mostrando quanto sia sensibile alla corretta rappresentazione della dinamica stratosferica. Naoe e Shibata, utilizzando rianalisi ERA-40 ed ERA-Interim insieme a un chemistry-climate model capace di generare autonomamente una QBO relativamente realistica, esaminarono la relazione Holton–Tan mediante compositi di vento zonale, temperatura e flussi di Eliassen–Palm. Lo studio confermò che il vortice polare e la circolazione extratropicale invernale rispondono allo stato della QBO e sottolineò il ruolo della modulazione dell’attività ondulatoria nella costruzione della risposta extratropicale. Questo tipo di risultato è particolarmente importante perché consente di andare oltre la semplice correlazione osservativa e di analizzare i processi dinamici intermedi responsabili della teleconnessione.
Il pannello (b) estende l’analisi all’emisfero meridionale e mostra la differenza W–E dell’altezza geopotenziale a 850 hPa nel mese di novembre. In questo caso la fase della QBO viene definita utilizzando il vento equatoriale di luglio a 20 hPa, e il campione comprende 21 anni occidentali e 32 orientali. La scelta di un mese e di un livello differenti rispetto al pannello boreale è significativa: evidenzia che la relazione QBO–vortice non presenta necessariamente la stessa stagionalità o la stessa dipendenza verticale nei due emisferi.
Anche nell’emisfero meridionale compare una struttura chiaramente anulare. Le anomalie negative dominano il settore antartico, mentre un’ampia cintura di anomalie positive occupa le latitudini circumpolari più basse. La configurazione ricorda quindi la fase positiva del Southern Annular Mode. Come nel caso boreale, la differenza W–E indica che la QBO occidentale è mediamente associata a una circolazione più spostata verso il lato positivo del modo anulare rispetto alla QBO orientale. Ciò è particolarmente interessante perché dimostra che la capacità della QBO di modulare la circolazione delle alte latitudini non è una peculiarità esclusiva dell’Artico.
Le differenze tra i due emisferi devono però essere comprese alla luce delle profonde differenze nella loro dinamica. Il vortice polare antartico è climatologicamente più intenso, più persistente e più simmetrico di quello artico. La distribuzione più zonalmente simmetrica dei continenti e dell’orografia nell’emisfero meridionale produce infatti un forcing troposferico da onde planetarie generalmente più debole. Il vortice boreale, al contrario, è fortemente perturbato dalle grandi onde planetarie generate soprattutto dall’orografia e dai contrasti termici tra continenti e oceani. Ne deriva una variabilità interannuale molto più intensa e una maggiore frequenza di riscaldamenti stratosferici improvvisi nell’emisfero settentrionale.
Questa asimmetria contribuisce a spiegare perché la risposta della QBO si manifesti con stagionalità differenti nei due emisferi. La QBO non agisce su un sistema atmosferico statico, ma modifica un flusso di fondo che cambia profondamente durante il ciclo stagionale. L’efficacia della teleconnessione dipende quindi dal momento nel quale la configurazione QBO incontra condizioni favorevoli alla propagazione delle onde e all’interazione con il vortice. È questo uno dei motivi per cui Anstey e Shepherd pongono grande enfasi sulla stagionalità dell’effetto Holton–Tan e sulla necessità di considerare la struttura verticale della QBO, anziché affidarsi esclusivamente a una classificazione orientale-occidentale fissa.
La somiglianza con NAM e SAM è inoltre importante dal punto di vista climatico perché i modi anulari descrivono una parte considerevole della variabilità della circolazione extratropicale. Nel caso boreale, la componente atlantica del NAM è strettamente collegata alla NAO e quindi alla posizione e intensità della corrente a getto atlantica, alle traiettorie delle depressioni e alla distribuzione delle anomalie di temperatura e precipitazione tra Atlantico settentrionale, Europa e regioni circumpolari. Ciò rende estremamente interessante la possibilità che una sorgente di variabilità stratosferica tropicale altamente prevedibile come la QBO possa contribuire a modificare le probabilità associate a tali configurazioni.
Proprio il termine “probabilità” è però essenziale. La Figura 2 non autorizza a concludere che una QBO occidentale produca automaticamente una NAO positiva o che una QBO orientale conduca necessariamente a una NAO negativa. Le mappe rappresentano differenze medie fra gruppi di anni e non descrivono il comportamento di ogni singolo inverno. La dispersione interna alle due categorie può essere molto grande. ENSO, il ciclo solare, la variabilità delle temperature superficiali oceaniche, l’attività delle onde planetarie troposferiche, la variabilità interna del vortice e numerosi altri processi possono rafforzare, indebolire o perfino mascherare la risposta alla QBO. Anstey e Shepherd sottolineano esplicitamente che l’interazione della QBO con ENSO e ciclo solare rappresenta una delle principali difficoltà nell’interpretazione del record osservativo.
Anche la rassegna fondamentale di Baldwin et al. sulla QBO aveva evidenziato come l’oscillazione tropicale influenzi la circolazione stratosferica da un polo all’altro attraverso la modulazione degli effetti delle onde extratropicali. La QBO domina la variabilità della stratosfera equatoriale approssimativamente fra 16 e 50 km, ma la sua rilevanza globale deriva proprio dalla capacità di alterare il modo in cui le onde interagiscono con il flusso medio al di fuori dei Tropici. La Figura 2 può essere considerata una manifestazione troposferica di questo principio generale: la QBO non genera direttamente un’anomalia superficiale, ma modifica un sistema di interazioni dinamiche che può infine proiettarsi sui modi preferenziali della circolazione extratropicale.
Un altro elemento scientificamente rilevante è l’ordine di grandezza della risposta. Anstey e Shepherd osservano che nei due emisferi l’ampiezza del segnale composito corrisponde approssimativamente a una differenza dell’ordine di una deviazione standard degli indici dei rispettivi modi anulari. Ciò rende il segnale climatologicamente non trascurabile. Allo stesso tempo, una differenza media di questa ampiezza non implica che la QBO spieghi da sola una quota equivalente della variabilità totale: i modi anulari possiedono una forte variabilità interna e possono assumere valori estremi anche indipendentemente dalla fase della QBO.
La figura introduce quindi una distinzione concettuale essenziale fra “controllo” e “modulazione”. La QBO non controlla il NAM o il SAM in senso deterministico; modifica piuttosto lo stato statistico del sistema atmosferico. Una determinata fase della QBO può rendere alcune configurazioni più o meno probabili modificando il vortice e l’ambiente di propagazione delle onde, senza impedire che la variabilità interna produca evoluzioni completamente differenti in un singolo anno. Questa interpretazione è particolarmente importante quando si utilizza la QBO nelle previsioni stagionali: essa rappresenta una sorgente di informazione iniziale e di prevedibilità probabilistica, non una regola capace di predeterminare il carattere dell’inverno.
Nel contesto dell’accoppiamento stratosfera–troposfera, la Figura 2 acquista infine un significato ancora più generale. Baldwin e Dunkerton mostrarono che forti anomalie della stratosfera possono precedere modificazioni dei regimi meteorologici troposferici e delle distribuzioni statistiche di AO e NAO. L’effetto Holton–Tan offre un possibile meccanismo attraverso il quale una parte di queste anomalie stratosferiche può essere predisposta dalla QBO tropicale. La sequenza concettuale diventa quindi QBO, modificazione della propagazione delle onde planetarie, risposta del vortice polare, persistenza dell’anomalia stratosferica e possibile accoppiamento verso la troposfera. Non tutti gli eventi completano necessariamente l’intera sequenza, ma quando ciò avviene l’informazione inizialmente contenuta nei venti equatoriali può lasciare una firma riconoscibile nella circolazione delle medie e alte latitudini.
La Figura 2 rappresenta perciò uno dei punti centrali dell’intero lavoro di Anstey e Shepherd. Il pannello boreale aggiorna una delle evidenze storiche che avevano accompagnato la formulazione dell’effetto Holton–Tan e mostra che la differenza tra QBO occidentale e orientale assume alla superficie una configurazione simile al NAM positivo e, nel settore atlantico, alla NAO positiva. Il pannello australe dimostra che un’analoga proiezione sui modi anulari può essere osservata anche nell’emisfero meridionale attraverso il SAM, sebbene con una stagionalità diversa. I contorni di significatività ricordano però che il segnale emerge da un sistema caratterizzato da elevata variabilità e che la robustezza non è uniforme nello spazio.
Nel suo significato più ampio, la figura mostra dunque come un fenomeno nato nella stratosfera equatoriale possa essere statisticamente associato a variazioni della circolazione atmosferica fino alla troposfera inferiore delle regioni polari. Questo risultato rende evidente l’interconnessione verticale e meridionale dell’atmosfera terrestre: la QBO modifica il contesto dinamico tropicale e subtropicale, le onde planetarie comunicano tale modifica agli extratropici, il vortice polare integra e amplifica parte della risposta e l’accoppiamento stratosfera–troposfera può infine proiettare l’anomalia sui modi anulari prossimi alla superficie. È proprio questa catena dinamica, variabile e probabilistica, a spiegare perché la QBO costituisca non soltanto un’oscillazione dei venti tropicali, ma anche una delle più importanti sorgenti di prevedibilità potenziale della circolazione extratropicale invernale.
2. Studi osservativi
Lo studio osservativo dell’influenza esercitata dall’Oscillazione Quasi-Biennale sulle alte latitudini rappresenta uno dei capitoli più complessi della dinamica stratosferica, perché richiede di identificare un segnale relativamente debole e variabile all’interno di un sistema atmosferico caratterizzato da una forte variabilità interna. Le prime indicazioni dell’esistenza di una relazione tra i venti equatoriali e la circolazione extratropicale comparvero già negli anni Sessanta, immediatamente dopo l’identificazione della QBO da parte di Ebdon, Reed e collaboratori e Veryard ed Ebdon. Tuttavia, la brevità delle serie osservative disponibili rendeva estremamente difficile stabilire se le apparenti teleconnessioni con le alte latitudini fossero realmente associate alla QBO oppure derivassero dalla variabilità casuale della circolazione atmosferica. Il lavoro di Holton e Tan del 1980 rappresentò quindi un passaggio fondamentale, perché utilizzò un record di sedici anni, relativamente lungo per gli standard dell’epoca, mostrando una relazione sistematica tra la fase dei venti stratosferici equatoriali e lo stato del vortice polare boreale. Da quel momento l’espressione “effetto Holton–Tan” è diventata il riferimento principale per descrivere l’accoppiamento dinamico tra la QBO tropicale e la stratosfera delle alte latitudini. La rassegna di Anstey e Shepherd pone proprio gli studi osservativi al centro della valutazione della robustezza di questo collegamento, sottolineando contemporaneamente come rimangano incertezze significative riguardo ai livelli verticali della QBO maggiormente responsabili della risposta e all’interferenza esercitata da ENSO e dal ciclo solare undecennale.
Uno dei primi problemi metodologici consiste nello stabilire che cosa si intenda esattamente per “fase della QBO”. La soluzione più comune è classificare gli inverni sulla base del segno del vento zonale equatoriale a un determinato livello di pressione, separandoli quindi in anni QBO occidentali, QBO-W, e orientali, QBO-E. Holton e Tan utilizzarono principalmente il livello di 50 hPa, situato nella bassa stratosfera intorno a 20–21 km di quota. Questa scelta risultava particolarmente conveniente nel periodo 1962–1977 perché le transizioni dei venti a tale livello avvenivano frequentemente durante l’estate boreale, permettendo di assegnare quasi tutti gli inverni a una delle due categorie senza incontrare numerosi casi di transizione durante la stagione invernale. Tuttavia, come emerge chiaramente dalla struttura verticale della QBO, una classificazione basata su un singolo livello costituisce inevitabilmente una semplificazione: una fase occidentale a 50 hPa può coesistere con venti orientali a 20 o 10 hPa e viceversa. Anstey e Shepherd sottolineano quindi che l’identificazione della fase tropicale è già di per sé una scelta metodologica capace di influenzare il segnale extratropicale ottenuto.
Un secondo problema riguarda la definizione dello “stato” del vortice polare. Nel corso della letteratura scientifica sono state utilizzate molte variabili differenti: altezza geopotenziale, vento zonale, temperatura, temperatura media della calotta polare, temperatura al Polo Nord, frequenza dei riscaldamenti stratosferici improvvisi, intensità del vortice e indici dei modi anulari. Questi indicatori non descrivono esattamente lo stesso aspetto della circolazione. Un’anomalia della temperatura polare, ad esempio, fornisce informazioni sul riscaldamento dinamico della stratosfera, mentre il vento zonale alle alte latitudini misura più direttamente l’intensità del vortice; un indice NAM, invece, descrive una struttura spaziale coerente che può estendersi verticalmente dalla stratosfera alla troposfera. Ne consegue che la robustezza apparente dell’effetto Holton–Tan può dipendere anche dalla metrica utilizzata. Questa varietà di definizioni non rappresenta soltanto un problema tecnico: riflette il fatto che il vortice polare è una struttura dinamica tridimensionale e non una singola variabile atmosferica.
La procedura osservativa più diffusa consiste nel calcolare compositi separati degli anni QBO-W e QBO-E e quindi sottrarli. Una differenza occidentale-meno-orientale positiva o negativa viene interpretata come la risposta media associata alla fase della QBO. Questo metodo è intuitivo e ha permesso di individuare numerose caratteristiche robuste della teleconnessione, ma possiede importanti limiti. Prima di tutto, esso presuppone che le altre sorgenti di variabilità atmosferica siano distribuite casualmente fra i due gruppi. Se, per puro caso o a causa di qualche relazione fisica, un numero elevato di eventi El Niño, minimi solari o inverni caratterizzati da una forte attività ondulatoria troposferica cade prevalentemente in una delle due categorie, parte del segnale attribuito alla QBO può in realtà derivare da tali fattori. Questo fenomeno di contaminazione statistica è particolarmente problematico quando il record disponibile comprende soltanto alcune decine di inverni.
L’altro elemento fondamentale emerso dalle osservazioni è la forte dipendenza stagionale della relazione QBO–vortice. Nell’emisfero settentrionale il segnale Holton–Tan risulta generalmente più chiaro durante l’inizio e la parte centrale dell’inverno che nella fase finale della stagione. Ciò suggerisce che la QBO moduli soprattutto il processo attraverso il quale il vortice boreale si sviluppa e interagisce con le onde planetarie nei mesi compresi tra novembre e gennaio. Durante febbraio e marzo la variabilità dinamica intrinseca è molto elevata, i riscaldamenti stratosferici improvvisi possono modificare radicalmente lo stato della circolazione e l’influenza di altre forzanti diventa più difficile da separare. La risposta osservata non può quindi essere considerata un’anomalia costante che persiste uniformemente per tutto l’inverno, ma deve essere interpretata come una modulazione del ciclo stagionale del vortice. È proprio questa caratteristica che emerge dalle analisi aggiornate raccolte da Anstey e Shepherd.
Nell’emisfero meridionale la situazione è differente. Il vortice antartico è climatologicamente più intenso, simmetrico e persistente rispetto a quello artico, soprattutto a causa della distribuzione più zonalmente uniforme dei continenti e dell’orografia. L’attività delle grandi onde planetarie è mediamente più debole e il vortice tende quindi a sopravvivere fino alla primavera australe. Di conseguenza, la risposta alla QBO manifesta una stagionalità distinta rispetto all’emisfero boreale, con segnali riconoscibili in particolari fasi dell’inverno e soprattutto verso il periodo del final warming, cioè la transizione stagionale definitiva dai venti occidentali stratosferici invernali ai venti orientali estivi. La QBO può quindi influenzare non soltanto l’intensità del vortice antartico, ma anche la tempistica della sua dissoluzione stagionale.
La profonda estensione verticale della risposta extratropicale costituisce un altro elemento osservativo di grande importanza. Le anomalie associate alla fase della QBO possono essere riconosciute dalla media stratosfera fino alla bassa stratosfera e, in alcuni casi, alla troposfera. Questa coerenza verticale ricorda la struttura dei modi anulari. Baldwin e Dunkerton dimostrarono che le anomalie dell’Arctic Oscillation, equivalente nella sua interpretazione verticale al Northern Annular Mode, possono comparire inizialmente nella stratosfera e propagarsi successivamente verso il basso. Nel loro studio del 1999, le anomalie del geopotenziale tra 1000 e 10 hPa mostravano una struttura verticalmente coerente e la correlazione fra la componente stratosferica e quella superficiale risultava massima con un ritardo troposferico di alcune settimane. Questa caratteristica fornisce un importante quadro concettuale per comprendere perché una modulazione della stratosfera da parte della QBO possa, in determinate condizioni, essere seguita da una risposta troposferica.
L’associazione con il Northern Annular Mode non implica tuttavia che la QBO controlli direttamente la circolazione superficiale. Un vortice polare forte e freddo tende a proiettarsi sul lato positivo del NAM, mentre un vortice debole e caldo tende a proiettarsi sul lato negativo, ma la successiva evoluzione troposferica dipende da numerosi processi interni. La QBO deve quindi essere considerata una sorgente di modulazione probabilistica. Durante una fase occidentale, il sistema atmosferico tende mediamente a essere predisposto verso un vortice più intenso; durante la fase orientale, verso un vortice più disturbato e caldo. Tuttavia, la dispersione da un inverno all’altro rimane molto ampia. Questo aspetto è fondamentale quando si tenta di utilizzare la QBO nella previsione stagionale: il suo valore risiede nello spostamento delle probabilità, non nella determinazione di uno specifico risultato.
La relazione fra QBO e riscaldamenti stratosferici improvvisi rappresenta uno degli esempi più immediati di questa natura probabilistica. Gli SSW costituiscono eventi fortemente non lineari durante i quali il forcing delle onde planetarie può rallentare o invertire i venti zonali della stratosfera polare. Poiché la fase orientale della QBO tende a creare condizioni più favorevoli a un vortice perturbato, diversi studi hanno osservato una maggiore frequenza o predisposizione verso gli SSW durante QBO-E. Tuttavia, eventi di riscaldamento possono verificarsi anche in QBO-W, mentre numerosi inverni QBO-E trascorrono senza un major warming. Questa dispersione dimostra che la QBO non rappresenta la causa immediata degli SSW, ma una componente dello stato di fondo sul quale agisce il forcing ondulatorio troposferico. La rassegna sulle influenze solari di Gray et al. sottolinea infatti come gli SSW non siano affatto esclusivi della fase orientale e come la loro distribuzione dipenda anche dallo stato del ciclo solare.
Il ciclo solare undecennale costituisce uno degli elementi che hanno maggiormente complicato l’interpretazione osservativa del segnale Holton–Tan. Studi classici di Labitzke e van Loon mostrarono che la relazione tra attività solare e circolazione polare appariva molto più chiaramente quando gli inverni venivano prima separati in base alla fase della QBO. In anni QBO-E, l’aumento dell’attività solare tendeva ad associarsi a una risposta del geopotenziale polare diversa rispetto agli anni QBO-W. La successiva letteratura ha discusso se durante il massimo solare il tradizionale effetto Holton–Tan venga invertito oppure semplicemente indebolito. La rassegna di Gray et al. conclude che la relazione fra QBO, ciclo solare e vortice è reale ma complessa: durante la QBO orientale il vortice tende normalmente a essere più caldo e disturbato, ma la configurazione cambia in funzione della fase solare, rendendo rischioso interpretare compositi costruiti su campioni brevi senza tenere conto di questa interazione.
Camp e Tung approfondirono questo problema analizzando più di cinquant’anni di rianalisi e separando esplicitamente gli effetti del ciclo solare e della QBO. Il loro lavoro mostrò che la combinazione fra fase occidentale della QBO e minimo solare identificava un particolare stato del vortice di fine inverno relativamente freddo e poco perturbato rispetto ad altre combinazioni. Il risultato evidenziava ancora una volta che le diverse forzanti non devono necessariamente sommarsi linearmente: una determinata configurazione QBO può produrre una risposta differente a seconda dello stato radiativo e dinamico della stratosfera nel quale è inserita.
ENSO costituisce una seconda importante sorgente di contaminazione e, allo stesso tempo, una parte fisica del problema. El Niño e La Niña modificano profondamente la convezione tropicale, la circolazione di Walker, la corrente a getto pacifica e la generazione delle onde di Rossby troposferiche. Queste modificazioni possono propagarsi verso la stratosfera attraverso cambiamenti nel flusso di attività ondulatoria. Camp e Tung mostrarono su circa 47 anni di dati che gli inverni El Niño presentavano una stratosfera polare boreale significativamente più calda rispetto agli inverni La Niña, con differenze medie di alcuni kelvin nella media stratosfera. La difficoltà storica nell’identificare tale segnale derivava proprio dal fatto che gli effetti ENSO e QBO potevano sovrapporsi nel breve record disponibile.
La relazione diventa ancora più complessa perché ENSO e QBO possono interagire non linearmente. Gli esperimenti di Calvo et al. hanno mostrato che un El Niño caldo tende a indebolire e riscaldare il vortice polare boreale, ma il momento stagionale e l’intensità della risposta dipendono dalla fase della QBO. Nel loro modello, la QBO occidentale ritardava l’emergere del segnale El Niño, mentre la QBO orientale tendeva ad anticiparlo; allo stesso tempo, El Niño poteva rafforzare la firma extratropicale della QBO all’inizio dell’inverno e indebolirla nella parte finale della stagione. Questo comportamento dimostra che la risposta combinata non è semplicemente la somma di una “anomalia QBO” e di una “anomalia ENSO”, ma deriva dalla loro interazione attraverso la propagazione e la dissipazione delle onde planetarie.
Questa conclusione ha ricevuto ulteriore sostegno da studi più recenti. Kumar e collaboratori hanno utilizzato quarant’anni di rianalisi ERA-Interim, dal 1979 al 2018, per esaminare congiuntamente gli effetti della QBO e di ENSO sul vortice polare, sulle correnti a getto subtropicali e sui pattern ondulatori durante l’inverno boreale. Il lavoro evidenzia che i due fenomeni possono modificare sia la circolazione meridiana sia le regioni di propagazione delle onde, producendo configurazioni che dipendono dalle rispettive fasi. Ciò rafforza l’idea che l’effetto Holton–Tan osservato in natura debba essere interpretato come parte di un sistema di teleconnessioni interagenti, anziché come risposta isolata a una singola forzante tropicale.
La questione statistica rimane comunque centrale. Una serie di cinquanta o sessanta anni potrebbe sembrare lunga dal punto di vista meteorologico, ma è sorprendentemente breve quando si devono studiare simultaneamente una QBO di circa 28 mesi, un ciclo solare di circa undici anni, ENSO con periodicità irregolare e una circolazione polare dotata di una fortissima variabilità intrinseca. Il numero effettivo di combinazioni indipendenti fra QBO orientale e occidentale, El Niño e La Niña, massimo e minimo solare e differenti stati del vortice è quindi limitato. Se il dataset viene ulteriormente suddiviso in sottogruppi, la numerosità di ciascun campione può diventare molto piccola. Ciò aumenta la sensibilità dei risultati a pochi inverni estremi e rende importante accompagnare ogni composito con test di significatività, analisi di robustezza e valutazioni della dipendenza dal periodo scelto.
A questa difficoltà si aggiunge la variabilità interna della stratosfera. I modelli meccanicistici hanno mostrato che un vortice polare può presentare oscillazioni, forti perturbazioni e persino eventi analoghi agli SSW anche quando il forcing esterno viene mantenuto invariato. Ciò significa che non tutta la variabilità osservata deve necessariamente essere attribuita a QBO, ENSO o ciclo solare. Una parte considerevole deriva dalle interazioni non lineari tra onde e flusso medio all’interno della stratosfera stessa. Quando una particolare sequenza di onde troposferiche raggiunge la stratosfera, il sistema può evolvere in maniera radicalmente diversa da quella di un inverno apparentemente simile dal punto di vista delle forzanti esterne.
La risposta osservativa deve quindi essere considerata come una modificazione della distribuzione statistica degli stati del vortice. La QBO-E tende a spostare tale distribuzione verso condizioni mediamente più calde, disturbate e caratterizzate da geopotenziali polari maggiori; la QBO-W tende verso condizioni mediamente più fredde e vortice più intenso. Ma le due distribuzioni si sovrappongono ampiamente. Questa rappresentazione probabilistica è più corretta della semplice opposizione fra “vortice debole in QBO orientale” e “vortice forte in QBO occidentale”, perché riflette l’enorme variabilità dei singoli inverni.
Un altro aspetto significativo evidenziato dagli studi osservativi riguarda la struttura verticale del segnale. Mentre la differenza fra i venti tropicali QBO-W e QBO-E cambia fortemente con la quota, la risposta extratropicale può mostrare una coerenza verticale molto maggiore. Questo comportamento è coerente con il coinvolgimento dei modi anulari, che possiedono strutture profonde e relativamente coerenti dalla stratosfera verso la troposfera. Baldwin e Dunkerton hanno mostrato che la firma dell’Arctic Oscillation nella media stratosfera rappresenta essenzialmente variazioni della forza del vortice e che tali anomalie possono essere collegate alle configurazioni troposferiche osservate successivamente. La risposta Holton–Tan può quindi essere vista non tanto come una copia extratropicale diretta del profilo verticale della QBO, quanto come una modulazione di uno dei modi dinamici naturali del sistema extratropicale.
Questo concetto aiuta anche a comprendere perché la semplice differenza composita W–E non costituisca un test definitivo del meccanismo proposto da Holton e Tan. Osservare un vortice mediamente più forte durante QBO-W dimostra l’esistenza di una relazione statistica, ma non identifica automaticamente il percorso dinamico che la produce. La risposta potrebbe dipendere dallo spostamento della linea subtropicale di vento nullo, dalla circolazione meridiana secondaria associata alla QBO, da variazioni dell’indice di rifrazione delle onde, dalla modificazione dei flussi di Eliassen–Palm o da una combinazione di questi processi. Le osservazioni permettono di descrivere la teleconnessione con crescente dettaglio, ma stabilire la causalità richiede generalmente il confronto con esperimenti modellistici controllati.
La dipendenza della risposta dal periodo stagionale assume in questo contesto un’importanza particolare. Nell’emisfero settentrionale, una risposta più robusta durante l’inizio e la parte centrale dell’inverno è compatibile con l’idea che la QBO influenzi il modo in cui il vortice si precondiziona rispetto al forcing ondulatorio. In dicembre e gennaio, una differenza relativamente piccola nella propagazione delle onde può accumularsi e produrre uno stato del vortice progressivamente differente. Più avanti nella stagione, invece, un singolo SSW o un importante evento di propagazione ondulatoria può cancellare gran parte della memoria dello stato precedente, rendendo la relazione statistica con la QBO meno evidente.
Nell’emisfero meridionale, la maggiore persistenza del vortice permette alla modulazione QBO di manifestarsi anche verso la fine dell’inverno e la primavera. In questo caso il momento del final warming assume un ruolo analogo a quello degli SSW boreali come indicatore della risposta dinamica. Una modificazione relativamente modesta dell’attività delle onde può anticipare o ritardare la transizione stagionale del vortice antartico, con possibili conseguenze anche per temperatura, trasporto e chimica dell’ozono.
Gli studi osservativi hanno quindi progressivamente trasformato la concezione dell’effetto Holton–Tan. Dall’iniziale correlazione fra vento equatoriale a 50 hPa e geopotenziale polare si è passati a un quadro nel quale la teleconnessione dipende dalla quota della QBO utilizzata, dal mese considerato, dall’emisfero, dallo stato delle onde planetarie, da ENSO, dal ciclo solare e dalla variabilità interna. La relazione di base rimane riconoscibile: la variabilità interannuale del vortice invernale è correlata alla fase della QBO tropicale. Ma la sua espressione osservativa varia fortemente nel tempo e nello spazio. Questa è precisamente una delle conclusioni centrali della rassegna di Anstey e Shepherd.
Dal punto di vista della prevedibilità stagionale, tale complessità non riduce l’importanza della QBO; al contrario, chiarisce il modo corretto di utilizzarla. Poiché i regimi della QBO discendono lentamente nella stratosfera, il suo stato possiede una prevedibilità molto superiore a quella della maggior parte delle perturbazioni troposferiche. Se la QBO modifica la probabilità che il vortice sia forte, debole o particolarmente suscettibile al forcing ondulatorio, questa informazione può essere incorporata nei sistemi previsionali insieme a ENSO, allo stato iniziale della stratosfera e alle altre sorgenti di prevedibilità. L’obiettivo non consiste quindi nel ricavare una previsione deterministica direttamente dalla fase QBO, ma nell’utilizzare l’oscillazione come uno dei fattori capaci di restringere la gamma delle evoluzioni atmosferiche più probabili.
Nel complesso, gli studi osservativi mostrano dunque una teleconnessione reale ma non semplice. La QBO tropicale lascia una firma statisticamente riconoscibile nella circolazione delle alte latitudini, influenzando la forza e la temperatura del vortice polare, la frequenza e il contesto dinamico dei grandi disturbi stratosferici e, in determinate circostanze, i modi anulari fino alla troposfera. Tuttavia, la risposta dipende fortemente dalla stagione, dalla struttura verticale della QBO e dalla presenza simultanea di altre sorgenti di variabilità. Il ciclo solare può modificare o mascherare la relazione Holton–Tan, ENSO può alterarne la tempistica e l’intensità, mentre la variabilità interna del vortice può produrre evoluzioni molto differenti anche in presenza di configurazioni tropicali simili. Le osservazioni forniscono quindi una robusta evidenza dell’esistenza dell’accoppiamento fra basse e alte latitudini, ma mostrano contemporaneamente perché non sia possibile ridurlo a una relazione deterministica fra un singolo indice della QBO e un singolo stato del vortice. È proprio questa combinazione di robustezza statistica, dipendenza dallo stato atmosferico e forte non linearità a rendere l’effetto Holton–Tan uno dei problemi più interessanti e ancora attuali della dinamica stratosferica.
Figura 3 – Evoluzione stagionale dell’influenza della QBO sul vortice polare e sulla circolazione stratosferica dei due emisferi
La Figura 3 di Anstey e Shepherd costituisce una delle rappresentazioni più istruttive dell’intero studio perché permette di osservare come l’influenza della Quasi-Biennial Oscillation sulle alte latitudini non sia una perturbazione statica, uniforme o indipendente dalla stagione, ma una risposta dinamica che evolve insieme al ciclo annuale dei vortici polari. Il confronto fra emisfero settentrionale ed emisfero meridionale, e fra i livelli di 10 e 50 hPa, evidenzia infatti tre proprietà fondamentali dell’effetto Holton–Tan: la marcata dipendenza stagionale, la notevole coerenza verticale della risposta extratropicale e la profonda asimmetria esistente tra i due emisferi. Queste caratteristiche sono centrali nella rassegna di Anstey e Shepherd, secondo cui la correlazione tra fase della QBO tropicale e variabilità del vortice polare è ben documentata, ma la sua intensità dipende dalla quota, dalla stagione e dal contesto dinamico nel quale la QBO interagisce con le onde planetarie.
La costruzione della figura è importante per comprenderne correttamente il significato. Gli autori utilizzano i venti zonali medi giornalieri delle rianalisi ECMWF nel periodo 1957–2011, successivamente filtrati mediante una media mobile di 15 giorni. Gli anni vengono suddivisi in due gruppi, QBO occidentale e QBO orientale, e per ciascuno viene calcolato il campo composito. La quantità rappresentata mediante i colori è la differenza occidentale meno orientale, W–E. Le tonalità rosse indicano pertanto regioni nelle quali il vento zonale è più occidentale, oppure meno orientale, durante la QBO-W rispetto alla QBO-E; le tonalità blu rappresentano la situazione opposta. Le linee verdi indicano invece il normale ciclo stagionale climatologico del vento zonale, permettendo di collocare il segnale associato alla QBO all’interno dell’evoluzione annuale del vortice. Questa distinzione è essenziale: la Figura 3 non rappresenta semplicemente il vortice in un determinato momento, ma mostra come la QBO modifichi una circolazione che sta già evolvendo rapidamente con la stagione.
I pannelli (a) e (c) riguardano l’emisfero settentrionale e mostrano rispettivamente il livello di 10 hPa, situato intorno a 30 km di quota, e quello di 50 hPa, nella bassa stratosfera intorno a 20 km. Nei pannelli boreali il segnale tropicale della QBO appare molto chiaramente vicino all’Equatore come un’estesa differenza negativa durante gran parte dell’inverno. Poiché la classificazione è costruita utilizzando il segno del vento equatoriale a 50 hPa nel mese di gennaio, tale comportamento è in parte intrinseco alla procedura composita. Ben più interessante è però ciò che accade alle alte latitudini. A 10 hPa emerge una vasta anomalia positiva tra circa 50° e 80°N, particolarmente sviluppata tra novembre e febbraio e massima approssimativamente tra dicembre e gennaio. Ciò significa che, in media, durante gli inverni classificati QBO-W i venti occidentali del vortice polare risultano più intensi rispetto agli inverni QBO-E. In termini dinamici, il vortice è quindi mediamente più forte sotto QBO occidentale e più debole sotto QBO orientale, che costituisce la firma classica dell’effetto Holton–Tan.
Questa configurazione riprende direttamente il risultato originale di Holton e Tan. Nel loro studio del 1980, basato sul periodo 1962–1977, il geopotenziale alle alte latitudini a 50 hPa risultava significativamente più basso durante la fase occidentale della QBO, indicando un vortice più intenso e freddo. Gli stessi autori trovarono inoltre che, all’inizio dell’inverno, l’onda planetaria zonale 1 presentava un’ampiezza quasi del 40% maggiore durante la fase orientale, suggerendo che la QBO potesse modulare l’attività ondulatoria capace di perturbare il vortice. La Figura 3 estende questa interpretazione mostrando che la risposta non è limitata a una singola media stagionale, ma possiede una precisa evoluzione temporale: nasce e si intensifica durante l’autunno e l’inizio dell’inverno, raggiunge una maggiore espressione attorno al cuore della stagione e successivamente cambia struttura.
Questo comportamento stagionale è fondamentale perché l’effetto Holton–Tan non deve essere interpretato come un semplice rafforzamento o indebolimento permanente del vortice. White, Lu e Mitchell hanno successivamente dimostrato, mediante diagnostiche dell’interazione onde–flusso medio nelle rianalisi ERA-Interim, che i meccanismi responsabili della risposta evolvono durante l’inverno. In ottobre-dicembre, durante QBO orientale nella bassa stratosfera, aumenta la propagazione verticale delle onde planetarie stazionarie dalla troposfera verso la bassa stratosfera subtropicale e delle medie latitudini. Circa un mese dopo emergono anomalie di propagazione verso il polo, favorite anche da interazioni non lineari fra le onde. La rottura di queste onde indebolisce il vortice e intensifica la circolazione meridiana, producendo riscaldamento dinamico alle alte latitudini. Più avanti nell’inverno, invece, lo stesso vortice già indebolito modifica a sua volta la guida d’onda, alterando la propagazione delle onde transitorie e sinottiche. L’effetto Holton–Tan deve quindi essere visto come un processo evolutivo e con memoria, nel quale le anomalie di inizio inverno modificano lo stato sul quale agiranno successivamente le onde.
La Figura 3 rende visibile proprio questa evoluzione. Nei pannelli dell’emisfero settentrionale il segnale alle alte latitudini compare in prossimità della fase di intensificazione stagionale del vortice, quando le linee verdi climatologiche mostrano lo sviluppo dei forti venti occidentali stratosferici. Invece di manifestarsi indipendentemente dal ciclo annuale, l’anomalia QBO si sovrappone alla crescita del vortice e ne modifica l’intensità. Questo permette di interpretare la QBO come un modulatore del normale sviluppo invernale del vortice, non come una sorgente autonoma di una nuova circolazione. Durante QBO-W il vortice tende mediamente a intensificarsi maggiormente; durante QBO-E tende a essere più disturbato dalla propagazione delle onde e a rimanere più debole.
Il pannello (c), a 50 hPa, è particolarmente importante perché mostra che il segnale delle alte latitudini non è confinato alla media stratosfera. L’anomalia positiva associata alla QBO occidentale si estende anche nella bassa stratosfera e conserva una struttura qualitativamente simile a quella visibile a 10 hPa. Questa coerenza verticale contrasta nettamente con la struttura tropicale della QBO stessa, che cambia molto rapidamente con l’altezza a causa della propagazione discendente dei regimi di vento. Nel Tropico, la differenza W–E può avere segno e ampiezza notevolmente differenti fra 10 e 50 hPa; nella regione polare, invece, la risposta tende ad avere un carattere verticalmente più coerente.
Tale comportamento è coerente con l’interpretazione della risposta extratropicale in termini di modi anulari. Baldwin e Dunkerton hanno mostrato che la principale modalità a bassa frequenza della circolazione boreale presenta una struttura che si estende dalla troposfera fino alla media stratosfera. Nella stratosfera la sua espressione corrisponde essenzialmente a variazioni dell’intensità del vortice polare, mentre a 1000 hPa assume una configurazione simile alla North Atlantic Oscillation ma maggiormente simmetrica zonalmente. Nello stesso studio, le anomalie del modo anulare apparivano generalmente prima nella stratosfera e successivamente nella troposfera, con una correlazione fra 10 e 1000 hPa particolarmente elevata quando il segnale superficiale era ritardato di circa tre settimane. Questo quadro aiuta a comprendere perché la risposta alla QBO mostrata nella Figura 3 possa essere molto più coerente verticalmente del forcing tropicale che la origina: la QBO non viene semplicemente “copiata” alle alte latitudini, ma modula un modo naturale di variabilità del vortice e, più generalmente, del sistema stratosfera–troposfera.
La differenza tra i pannelli boreali a 10 e 50 hPa fornisce inoltre un’indicazione importante sulla possibilità di accoppiamento verso il basso. Quando la risposta del vortice coinvolge un grande intervallo verticale della stratosfera, l’anomalia possiede una maggiore capacità di persistere e di interagire con la troposfera. Ciò non significa che ogni inverno QBO-E produca automaticamente un NAM negativo o una NAO negativa, né che ogni QBO-W determini una NAO positiva. La relazione rimane probabilistica. Tuttavia, la coerenza verticale rappresenta una condizione favorevole affinché le anomalie stratosferiche possano successivamente influenzare le correnti a getto, le storm tracks e i regimi di circolazione troposferica.
Un altro elemento che emerge chiaramente è la particolare rilevanza del primo inverno boreale. Anstey e Shepherd sottolineano che la relazione Holton–Tan osservata nelle prime fasi dell’inverno è generalmente più robusta rispetto a quella riscontrata nella parte finale della stagione. Ciò concorda con studi precedenti e successivi. Naoe e Shibata, analizzando rianalisi e simulazioni con il modello MRI-CCM, hanno trovato una risposta Holton–Tan statisticamente significativa ma caratterizzata da una forte dipendenza stagionale. Nel record osservativo analizzato, il segnale era particolarmente evidente tra novembre e dicembre, mentre nel modello tendeva a comparire più tardi, tra gennaio e febbraio. Tale discrepanza suggerisce che la capacità di riprodurre correttamente la tempistica della risposta alle alte latitudini rappresenti un test molto severo per i modelli stratosferici.
Lo studio di Naoe e Shibata è importante anche perché mette in discussione una lettura troppo semplice del meccanismo originale di Holton–Tan. La teoria classica prevedeva che la fase orientale restringesse la guida d’onda dei venti occidentali e favorisse una maggiore rifrazione delle onde verso il polo. Le diagnostiche del flusso di Eliassen–Palm analizzate da Naoe e Shibata non mostrarono tuttavia una semplice maggiore propagazione polare durante QBO-E. Le onde tendevano invece a propagarsi maggiormente sia verso l’alto sia verso l’Equatore durante la fase orientale. Gli autori conclusero quindi che la spiegazione basata esclusivamente sulla linea critica subtropicale non fosse sufficiente e indicarono un ruolo importante della circolazione meridiana indotta dalla QBO e della sua struttura nella stratosfera superiore. La Figura 3 deve pertanto essere interpretata come evidenza della risposta, ma non come dimostrazione univoca di uno specifico percorso dinamico.
La parte meridionale della figura, rappresentata dai pannelli (b) e (d), mostra una situazione profondamente diversa. Gli autori spostano l’asse temporale di sei mesi, in modo che anche per l’emisfero australe il centro della rappresentazione coincida approssimativamente con il pieno inverno. La fase della QBO viene inoltre definita utilizzando il vento equatoriale a 20 hPa nel mese di luglio, invece del vento a 50 hPa in gennaio impiegato per l’emisfero settentrionale. Questa differenza non è arbitraria: riflette il fatto che il segnale QBO nel vortice australe presenta una dipendenza verticale e stagionale differente rispetto a quello boreale.
Nel pannello (b), a 10 hPa, il vortice antartico climatologico raggiunge venti occidentali estremamente intensi durante l’inverno australe, come evidenziato dalle linee verdi che superano ampiamente 70–80 m/s alle alte latitudini. La risposta alla QBO, tuttavia, non raggiunge la massima espressione nel cuore dell’inverno. Il segnale più pronunciato si sviluppa soprattutto nella seconda parte della stagione e durante la primavera australe, in prossimità del decadimento del vortice. Il pannello (d) a 50 hPa presenta una struttura analoga, con anomalie concentrate soprattutto verso settembre-novembre. Questa tempistica differisce quindi nettamente da quella boreale.
La ragione fisica risiede principalmente nelle profonde differenze fra i due vortici polari. Il vortice artico è continuamente perturbato da forti onde planetarie generate dalla marcata asimmetria longitudinale dell’emisfero settentrionale, dove continenti, oceani, grandi catene montuose e contrasti termici generano un intenso forcing ondulatorio. Il vortice antartico si sviluppa invece in un emisfero più simmetrico zonalmente e viene perturbato mediamente da un forcing planetario più debole. Ne consegue un vortice molto più intenso, freddo e persistente, relativamente resistente alle perturbazioni durante il pieno inverno. Per questa ragione, l’influenza della QBO tende a rimanere maggiormente confinata alle medie latitudini durante l’inverno e diventa più evidente alle alte latitudini quando il vortice comincia a indebolirsi stagionalmente.
Le osservazioni analizzate da Baldwin e Dunkerton sulla modulazione quasi-biennale del vortice australe avevano già indicato questo comportamento. Come riassunto successivamente da Ford e collaboratori, il vortice antartico è sufficientemente forte da mostrare una modesta modulazione QBO durante il pieno inverno, mentre la risposta diventa molto più evidente durante la primavera, quando il sistema si avvicina al final warming. Gli stessi studi indicarono che un livello della QBO intorno a 25 hPa risultava particolarmente utile per descrivere la risposta australe. Ciò è pienamente coerente con la scelta di Anstey e Shepherd di utilizzare 20 hPa in luglio per classificare gli anni nei pannelli meridionali.
La forte risposta australe durante la tarda primavera viene spesso interpretata come una modulazione del final warming, cioè della transizione definitiva dal regime di venti occidentali stratosferici invernali a quello dei venti orientali estivi. Mentre nell’Artico la QBO può influenzare un sistema frequentemente perturbato dagli SSW nel pieno inverno, in Antartide il punto di maggiore sensibilità si verifica soprattutto quando il vortice perde progressivamente la propria stabilità stagionale. Lo stato QBO può allora anticipare o ritardare il momento in cui le onde planetarie e il riscaldamento radiativo primaverile completano il collasso del vortice.
Questa interpretazione trova sostegno anche in studi dedicati alla composizione e alla dinamica del vortice antartico. Strahan e collaboratori, utilizzando MERRA per il periodo 1979–2013, hanno trovato differenze molto piccole e non statisticamente significative nella temperatura antartica di settembre tra QBO-W e QBO-E nella fascia 30–100 hPa. Gli autori hanno sottolineato che la QBO modula l’attività delle onde planetarie delle medie latitudini durante l’inverno, ma non modifica in maniera marcata forza e temperatura del vortice antartico fino alla parte centrale della primavera, intorno a novembre e vicino al final warming. Questo risultato spiega molto bene la struttura stagionale osservata nei pannelli (b) e (d): la massima risposta alle alte latitudini australi emerge quando il vortice diventa dinamicamente più vulnerabile.
Anche simulazioni climatiche più recenti confermano l’esistenza di una risposta australe organizzata. Analisi dei modelli CMIP5 e CMIP6 mostrano che durante la primavera dell’emisfero meridionale la fase orientale della QBO può associarsi a un vortice stratosferico antartico più debole e a profonde anomalie calde sopra la regione polare, accompagnate da una circolazione di Brewer–Dobson più intensa e da maggiore subsidenza alle alte latitudini. Il fatto che queste strutture compaiano sia nelle rianalisi sia nei modelli rafforza la lettura della Figura 3 come manifestazione di una teleconnessione dinamica reale, pur soggetta a notevoli variazioni stagionali.
Il confronto fra 10 e 50 hPa rivela inoltre una caratteristica fondamentale: la risposta extratropicale presenta una profondità verticale molto maggiore di quanto si potrebbe prevedere osservando esclusivamente le anomalie tropicali. Alle alte latitudini le aree di differenza W–E tendono a conservare lo stesso segno su una grande porzione della stratosfera. Questo comportamento suggerisce che la QBO agisca come un forcing capace di proiettarsi sui modi dinamici naturali dei vortici, in particolare il Northern e il Southern Annular Mode. Anstey e Shepherd evidenziano esplicitamente questa interpretazione: la coerenza fra i pannelli a 10 e 50 hPa è compatibile con una modulazione dei modi principali di variabilità extratropicale, che possiedono strutture verticalmente profonde.
Al contrario, la regione tropicale presenta una risposta molto più variabile con la quota perché la QBO stessa consiste in regimi occidentali e orientali che discendono attraverso la stratosfera. Ciò comporta una conseguenza metodologica importante. Quando un inverno viene classificato come QBO-W sulla base del vento a 50 hPa, alle quote superiori può essere già presente una fase orientale. Il composito W–E non rappresenta quindi una perturbazione tropicale verticale uniforme, ma una differenza fra due strutture complesse. Per questo motivo, il fatto che alle alte latitudini emerga un segnale profondo e coerente non permette di identificare automaticamente quale livello tropicale sia responsabile della risposta.
È uno dei motivi per cui Anstey e Shepherd considerano problematica la ricerca di un singolo “livello ottimale” della QBO. La fase a 50 hPa funziona bene per alcune caratteristiche della risposta boreale, mentre livelli più elevati possono essere più strettamente collegati ad altri aspetti della teleconnessione o alla risposta dell’emisfero meridionale. Una classificazione basata su un unico livello non contiene inoltre informazioni sulla posizione dello shear verticale, sulla fase superiore della QBO o sulla sua evoluzione nel corso della stagione. Gli esperimenti e le osservazioni analizzati da Naoe e Shibata suggeriscono addirittura che la QBO della stratosfera superiore e la circolazione meridiana a essa associata possano avere un ruolo rilevante nel generare la risposta extratropicale, mentre la sola anomalia della bassa stratosfera potrebbe non fornire una spiegazione sufficiente.
Il segnale mostrato nella Figura 3 presenta inoltre una componente di non stazionarietà statistica che deve essere tenuta in grande considerazione. L’effetto Holton–Tan non ha avuto la stessa intensità durante l’intero periodo osservativo. Naoe e Shibata ricordano, ad esempio, che Naito e Hirota trovarono una relazione particolarmente robusta nel periodo 1962–1977, mentre Lu e collaboratori evidenziarono un indebolimento sostanziale del segnale nella stratosfera boreale tra il 1977 e il 1997. La risposta composita del periodo 1957–2011 rappresenta quindi una media di decenni nei quali l’accoppiamento QBO-vortice non è stato necessariamente identico.
Questa non stazionarietà può derivare da molte cause. Lo stato medio della stratosfera cambia da un inverno all’altro, così come l’attività delle onde planetarie troposferiche. ENSO modifica la sorgente e la propagazione delle onde di Rossby dal Pacifico verso le alte latitudini; il ciclo solare altera il riscaldamento stratosferico e può interagire con la QBO; le eruzioni vulcaniche possono produrre importanti perturbazioni radiative; gli stessi SSW introducono una forte variabilità interna che può modificare drasticamente l’evoluzione di un’intera stagione. Poiché gli anni vengono divisi soltanto in QBO-W e QBO-E, questi fattori non vengono eliminati dal composito. Anstey e Shepherd sottolineano espressamente che il record osservativo è probabilmente troppo breve perché tali influenze concorrenti si annullino perfettamente.
Questo aspetto è particolarmente importante quando si interpretano le aree di significatività statistica della Figura 3. I contorni rossi e blu indicano le regioni in cui la differenza W–E supera il livello di significatività del 95% secondo il test utilizzato dagli autori. La presenza di tali regioni dimostra che alcune caratteristiche della risposta risultano robuste nel campione analizzato, ma non implica che ogni punto non significativo sia privo di risposta fisica, né che ogni regione significativa dimostri una causalità diretta della QBO. La significatività misura la separazione statistica dei due compositi rispetto alla variabilità del campione, non identifica automaticamente il meccanismo fisico.
La Figura 3 consente inoltre di comprendere meglio il rapporto fra QBO e riscaldamenti stratosferici improvvisi. Nell’emisfero settentrionale, la risposta positiva W–E alle alte latitudini significa che durante QBO-W il vortice è mediamente più occidentale, quindi più intenso, mentre durante QBO-E è più debole. Ciò è coerente con un ambiente nel quale la fase orientale rende il vortice maggiormente suscettibile alla perturbazione delle onde planetarie e quindi, statisticamente, più favorevole a condizioni associate agli SSW. Tuttavia, la figura non mostra direttamente gli SSW e non implica che QBO-E ne determini l’insorgenza. Il vortice può sviluppare un grande warming anche durante QBO-W e può rimanere relativamente forte durante una QBO-E. L’effetto deve quindi essere inteso come una predisposizione dinamica piuttosto che come una relazione deterministica.
La visione proposta dagli studi più recenti amplia ulteriormente questa interpretazione. White, Lu e Mitchell hanno mostrato che onde planetarie stazionarie, onde planetarie transitorie e onde sinottiche assumono ruoli differenti nel corso dell’inverno e che sia le interazioni lineari sia quelle non lineari contribuiscono alla risposta. Ne consegue che la vasta anomalia rossa osservata alle alte latitudini boreali nella Figura 3 non deve essere attribuita a un singolo meccanismo di rifrazione delle onde. Essa rappresenta l’esito integrato di settimane o mesi di interazione fra la QBO, la circolazione meridiana, le guide d’onda, l’attività ondulatoria proveniente dalla troposfera e l’evoluzione del vortice stesso.
Il concetto di feedback è fondamentale. Una QBO orientale può inizialmente favorire una maggiore propagazione ondulatoria verso la stratosfera; questa attività indebolisce il vortice; un vortice indebolito modifica a sua volta l’indice di rifrazione e quindi le traiettorie disponibili per le onde successive. La risposta osservata più avanti nell’inverno non rappresenta pertanto semplicemente l’effetto immediato della QBO iniziale, ma incorpora la memoria delle interazioni avvenute precedentemente. Questo comportamento aiuta a spiegare perché il segnale possa continuare a essere visibile anche quando la relazione istantanea fra venti tropicali e extratropicali non appare semplice.
La Figura 3 fornisce quindi una rappresentazione particolarmente efficace dell’atmosfera come sistema accoppiato. Ai Tropici la QBO evolve attraverso la propagazione discendente dei propri regimi di vento; alle medie latitudini modifica la circolazione meridiana e il comportamento delle onde; alle alte latitudini questa modulazione viene integrata dalla dinamica del vortice e può assumere una struttura verticalmente profonda. Nell’emisfero settentrionale il momento di maggiore sensibilità coincide soprattutto con la fase di sviluppo e il pieno inverno del vortice, mentre nell’emisfero meridionale la risposta più forte si manifesta durante la fase finale della stagione e il decadimento primaverile.
Dal punto di vista della prevedibilità, questa caratteristica è estremamente rilevante. La QBO è molto più prevedibile di gran parte della variabilità troposferica su scala mensile e stagionale perché i suoi regimi di vento evolvono lentamente. Tuttavia, ciò che conta per utilizzare questa informazione non è soltanto sapere se la QBO sia orientale o occidentale, ma conoscere la sua struttura verticale, il momento stagionale nel quale essa interagisce con il vortice e lo stato delle altre sorgenti di variabilità. La Figura 3 dimostra visivamente perché la stessa fase QBO possa avere conseguenze differenti in novembre, gennaio o marzo e perché non sia possibile derivare automaticamente una previsione meteorologica di superficie dal segno del vento equatoriale.
In definitiva, la Figura 3 va interpretata come una rappresentazione della modulazione stagionale del sistema vortice polare–QBO, piuttosto che come una semplice mappa di correlazione. Nell’emisfero settentrionale la fase occidentale è mediamente associata a venti polari più forti tra inizio e metà inverno, mentre la fase orientale favorisce un vortice relativamente più debole e perturbato; nell’emisfero meridionale la risposta alle alte latitudini emerge soprattutto verso la fine dell’inverno e la primavera, quando la QBO contribuisce a modulare il decadimento del vortice e il final warming. La similitudine della risposta a 10 e 50 hPa rivela una notevole coerenza verticale extratropicale, compatibile con la modulazione dei modi anulari, mentre la forte variazione verticale dei venti tropicali ricorda che la QBO non può essere rappresentata completamente da un indice a un solo livello.
Proprio questa combinazione di stagionalità, profondità verticale e asimmetria emisferica costituisce uno dei messaggi scientifici più importanti della figura. L’effetto Holton–Tan non è un collegamento lineare nel quale la fase equatoriale determina meccanicamente la forza del vortice, ma un processo nel quale la QBO modifica le condizioni attraverso le quali le onde planetarie interagiscono con un vortice che sta evolvendo stagionalmente e che possiede una propria forte variabilità interna. La risposta osservata alle alte latitudini è quindi il risultato integrato di propagazione ondulatoria, interazione onda-flusso medio, circolazione meridiana, stato precedente del vortice e altre sorgenti di variabilità atmosferica. È proprio questa complessità, chiaramente visibile nella Figura 3, a spiegare perché l’influenza della QBO sul vortice polare rappresenti ancora oggi uno dei problemi più importanti per comprendere la dinamica stratosferica e sfruttare pienamente la stratosfera come fonte di prevedibilità atmosferica stagionale.
Figura 4 – Struttura verticale e meridionale della risposta della circolazione stratosferica alla QBO e dinamica dell’effetto Holton–Tan
La Figura 4 di Anstey e Shepherd costituisce uno dei passaggi più significativi dell’analisi osservativa dell’influenza della Quasi-Biennial Oscillation sulle alte latitudini, perché permette di osservare simultaneamente la struttura verticale e meridionale della risposta atmosferica, dal livello del suolo fino alla stratosfera superiore e dalle regioni polari dell’emisfero meridionale a quelle dell’emisfero settentrionale. A differenza della Figura 3, nella quale l’attenzione era concentrata soprattutto sull’evoluzione stagionale della risposta a due livelli atmosferici selezionati, la Figura 4 offre una vera sezione latitudine-quota del sistema, mostrando come le anomalie tropicali associate alla QBO siano collegate a una risposta extratropicale molto più profonda e verticalmente coerente. È proprio questo contrasto tra la complessa struttura verticale della QBO equatoriale e la risposta relativamente organizzata dei vortici polari a costituire uno dei problemi fondamentali dell’effetto Holton–Tan: le osservazioni dimostrano chiaramente che esiste una relazione tra fase della QBO e stato del vortice, ma non consentono di attribuire in maniera immediata tale risposta a un singolo livello della QBO o a un unico processo dinamico. Anstey e Shepherd sottolineano infatti che rimangono incerte sia la quota della QBO maggiormente rilevante per il vortice sia la natura precisa dei meccanismi attraverso i quali l’informazione tropicale raggiunge le alte latitudini.
Nel pannello (a) viene mostrata la differenza composita occidentale-meno-orientale, W–E, del vento zonale medio zonale nel mese di gennaio. La fase della QBO viene determinata attraverso il segno del vento equatoriale a 50 hPa nello stesso mese, secondo la definizione tradizionalmente utilizzata per studiare la risposta dell’emisfero settentrionale. Le tonalità rosse indicano che il vento è più occidentale durante QBO-W rispetto a QBO-E, mentre quelle blu indicano una differenza negativa, cioè venti relativamente più orientali durante QBO-W. Sovrapposte ai colori compaiono le linee verdi del vento zonale climatologico: quelle continue rappresentano venti occidentali, quelle tratteggiate venti orientali e la linea verde spessa identifica la superficie di vento nullo. Questa sovrapposizione è essenziale perché permette di interpretare la risposta QBO nel contesto del flusso medio atmosferico attraverso il quale si propagano le onde planetarie.
La regione tropicale del pannello (a) mostra immediatamente la caratteristica struttura verticale alternata della QBO. Intorno ai 50 hPa compare un forte nucleo positivo centrato sull’Equatore, inevitabilmente collegato in parte al criterio utilizzato per classificare gli anni QBO-W e QBO-E, mentre nella stratosfera sovrastante emerge una vasta anomalia negativa che raggiunge il massimo approssimativamente tra 10 e 5 hPa. La colonna tropicale non possiede quindi un unico segno: mentre nella bassa stratosfera prevale la differenza occidentale, più in alto prevale quella orientale. È l’espressione diretta della propagazione discendente della QBO, per cui un regime di vento può essere presente nella bassa stratosfera mentre il regime successivo, di segno opposto, occupa già la media e alta stratosfera. Tale configurazione rende evidente perché espressioni come “QBO occidentale” e “QBO orientale” debbano sempre essere accompagnate dall’indicazione della quota alla quale la fase viene definita.
Molto diversa è la risposta dell’emisfero settentrionale alle alte latitudini. Tra circa 50° e 80°N compare infatti un’ampia anomalia positiva che attraversa una grande porzione della stratosfera, dalla regione prossima ai 50 hPa fino a pochi hPa. Ciò indica che nel mese di gennaio gli anni classificati come QBO occidentali a 50 hPa presentano mediamente un vortice polare caratterizzato da venti occidentali più intensi rispetto agli anni QBO orientali. In termini fisici, la QBO-W è quindi associata a un vortice mediamente più forte e freddo, mentre la QBO-E è associata a un vortice più debole, caldo e perturbato. È la firma classica della relazione Holton–Tan, documentata non soltanto dalla rassegna di Anstey e Shepherd ma anche da numerose analisi osservative e modellistiche. Naoe e Shibata, utilizzando ERA-40, ERA-Interim e il chemistry-climate model MRI-CCM, confermarono una risposta statisticamente significativa nella quale il vortice polare risulta più debole e disturbato durante la fase orientale della QBO.
Un aspetto particolarmente significativo è che il massimo della risposta polare non coincide verticalmente con il livello utilizzato per classificare la QBO. La differenza W–E tropicale è massima nella bassa stratosfera intorno a 50 hPa, mentre alle alte latitudini il segnale può raggiungere la maggiore ampiezza nella media e alta stratosfera. Lu et al., analizzando il periodo 1958–2006, trovarono infatti che tra novembre e gennaio la differenza associata alla QBO nel vento zonale extratropicale si estende dalla bassa alla stratosfera superiore, con un massimo intorno a 5 hPa e 55–65°N dell’ordine di circa 10 m/s; la corrispondente risposta termica raggiungeva invece circa 4 K nella regione polare tra 20 e 30 hPa. Questi risultati mostrano come una perturbazione equatoriale inizialmente localizzata possa produrre una risposta extratropicale profonda, organizzata e con un massimo situato a quote differenti da quelle utilizzate per descrivere la QBO stessa.
Proprio questa differenza di struttura verticale suggerisce che il vortice polare non risponda semplicemente in modo locale o lineare al vento equatoriale. Se il processo fosse una trasmissione diretta dell’anomalia tropicale verso il Polo, ci si potrebbe attendere una risposta extratropicale caratterizzata dallo stesso rapido cambiamento di segno con la quota. La Figura 4 mostra invece il contrario: mentre nei Tropici la differenza W–E cambia nettamente segno tra bassa e alta stratosfera, nella regione polare la risposta conserva lo stesso segno attraverso un intervallo verticale molto maggiore. Questo comportamento è coerente con la possibilità che la QBO moduli un modo dinamico naturale della circolazione extratropicale, quale il Northern Annular Mode. Baldwin e Dunkerton mostrarono che le anomalie del modo anulare boreale possono estendersi dalla superficie alla media stratosfera e che, nella stratosfera, la loro espressione corrisponde essenzialmente a una variazione dell’intensità del vortice polare. Inoltre, le anomalie del modo anulare tendono spesso a manifestarsi prima nella stratosfera e successivamente nella troposfera, con una correlazione particolarmente elevata tra 10 e 1000 hPa quando la risposta superficiale viene considerata con un ritardo di alcune settimane.
La Figura 4 consente anche di esaminare direttamente l’elemento sul quale era costruita la spiegazione originaria di Holton e Tan: la linea subtropicale di vento zonale nullo. Secondo l’interpretazione classica, le onde planetarie stazionarie generate nella troposfera possono propagarsi nella stratosfera attraverso venti occidentali di intensità appropriata, ma non attraverso ampie regioni di venti orientali. La QBO, modificando la posizione latitudinale della transizione tra venti occidentali e orientali, avrebbe quindi la capacità di allargare o restringere la guida d’onda disponibile alle onde di Rossby. Durante QBO-E nella bassa stratosfera, l’estensione verso il polo dei venti orientali restringerebbe il dominio dei venti occidentali e favorirebbe una rifrazione dell’attività ondulatoria verso le alte latitudini, aumentando il forcing sul vortice. Una maggiore deposizione di quantità di moto da parte delle onde rallenterebbe i venti occidentali polari e produrrebbe un riscaldamento dinamico attraverso la circolazione meridiana residua.
Le osservazioni di Lu et al. fornirono sostegno a questa interpretazione mostrando che, durante QBO-E, il restringimento della guida d’onda nella bassa stratosfera può deviare maggiormente le onde planetarie verso il polo; quando tali onde dissipano o rompono nella stratosfera, il maggiore drag ondulatorio contribuisce a indebolire e riscaldare il vortice. Gli stessi autori sottolinearono però che la relazione Holton–Tan non è stazionaria: il classico comportamento “QBO orientale–vortice caldo e disturbato” e “QBO occidentale–vortice freddo e intenso” non presenta la stessa intensità in tutti i decenni del record osservativo.
Proprio qui emerge uno dei contributi più importanti della ricerca successiva. Naoe e Shibata mostrarono che le diagnostiche dei flussi di Eliassen–Palm non supportano una versione troppo semplice del paradigma basato esclusivamente sulla rifrazione delle onde verso il Polo. Nel loro studio, durante QBO-E le onde planetarie risultavano propagarsi maggiormente non soltanto verso l’alto, ma anche verso l’Equatore, e non emergeva quindi la prevista semplice intensificazione della propagazione polare nella stratosfera delle medie latitudini. Gli autori conclusero che la concezione della bassa stratosfera equatoriale come semplice “waveguide” capace da sola di spiegare il segnale Holton–Tan era insufficiente. La Figura 4 assume così un valore particolarmente interessante: mostra una relazione osservativa molto chiara, ma la geometria della risposta suggerisce che il meccanismo necessario per produrla debba essere più complesso della sola migrazione della linea critica.
Questo punto fu ulteriormente sviluppato da Garfinkel, Shaw, Hartmann e Waugh mediante esperimenti idealizzati con il Whole Atmosphere Community Climate Model. Gli autori trovarono che l’effetto diretto della linea critica subtropicale, pur contribuendo alla risposta, risultava meno importante della circolazione meridiana media associata alla QBO. L’introduzione di venti orientali equatoriali nella bassa stratosfera produceva una maggiore convergenza del flusso di Eliassen–Palm su scale sinottiche nella regione subtropicale e modificava i venti delle medie latitudini; contemporaneamente, nella media e alta stratosfera si creava una configurazione capace di limitare la propagazione equatoriale delle onde provenienti dalle regioni subpolari, aumentando così la convergenza dell’attività ondulatoria nella regione del vortice. Il risultato finale rimaneva quello classico, ossia un vortice polare indebolito durante QBO-E, ma attraverso una concatenazione dinamica più articolata di quella ipotizzata nella formulazione iniziale dell’effetto Holton–Tan.
La vasta area positiva alle alte latitudini del pannello (a) può quindi essere interpretata come il risultato integrato di differenti processi. La QBO modifica il vento tropicale; attraverso l’equilibrio termico e dinamico genera anomalie di temperatura e una circolazione meridiana secondaria; queste anomalie raggiungono i subtropici e modificano il vento zonale medio; il cambiamento del flusso medio altera a sua volta l’indice di rifrazione e le condizioni di propagazione delle onde di Rossby; le onde modificano il vortice attraverso la deposizione di quantità di moto; infine, il cambiamento del vortice modifica ulteriormente le condizioni di propagazione delle onde. Si crea così un sistema di feedback onda–flusso medio in cui diventa difficile separare nettamente una “causa iniziale” da una “risposta finale”. Garfinkel et al. sottolineano proprio la natura quasi lineare soltanto nelle prime fasi del processo: quando i venti iniziano a cambiare in risposta al forcing ondulatorio, anche il forcing stesso si sposta e può amplificare la perturbazione iniziale.
Il pannello (b) permette di osservare la stessa problematica in una configurazione stagionale completamente diversa. Qui viene mostrato novembre e la fase della QBO è definita dal segno del vento equatoriale a 20 hPa nel precedente mese di luglio, scelta concepita soprattutto per evidenziare la risposta dell’emisfero meridionale. La regione tropicale presenta nuovamente una marcata struttura verticale: una forte anomalia positiva occupa la media-bassa stratosfera, approssimativamente intorno a 20–50 hPa, mentre sopra di essa compare un nucleo negativo molto intenso nella regione compresa fra circa 10 e 3 hPa. Ancora una volta, dunque, la classificazione QBO-W a un determinato livello convive con venti di segno opposto nella parte superiore della stratosfera.
Alle alte latitudini australi la risposta assume una configurazione profondamente diversa da quella osservata nell’Artico in gennaio. Novembre corrisponde infatti alla tarda primavera dell’emisfero meridionale, quando il vortice antartico si trova nella fase finale del proprio ciclo stagionale. Durante l’inverno il vortice antartico è generalmente molto più intenso, simmetrico e persistente di quello artico, perché il forcing delle onde planetarie è mediamente inferiore nell’emisfero meridionale. Quando sopraggiunge la primavera e il gradiente termico meridionale diminuisce, il vortice entra però in una fase di progressivo indebolimento e diventa maggiormente sensibile alle perturbazioni ondulatorie. La QBO può quindi modulare la tempistica e l’intensità di questo decadimento stagionale, cioè del final warming.
La risposta meridionale visibile nel pannello (b) conferma quindi quanto già suggerito dalla Figura 3: l’effetto Holton–Tan non possiede la stessa tempistica nei due emisferi. Nell’emisfero settentrionale il segnale è particolarmente evidente tra inizio e metà inverno, quando la forte attività delle onde planetarie può perturbare ripetutamente il vortice e produrre, nei casi estremi, un riscaldamento stratosferico improvviso. Nell’emisfero meridionale, dove i grandi SSW sono assai più rari, la risposta emerge soprattutto quando il vortice entra nella fase stagionale di dissoluzione. La QBO deve quindi essere considerata come un modulatore della sensibilità del vortice al forcing ondulatorio, e tale sensibilità dipende profondamente dallo stato climatologico di fondo.
Un elemento interessante del pannello (b) è inoltre la presenza di un segnale anche nell’emisfero settentrionale, nonostante il composito sia stato costruito principalmente per evidenziare la risposta australe. Questo ricorda che la QBO è un fenomeno globale nella sua influenza: una stessa struttura tropicale può modificare simultaneamente le condizioni di propagazione delle onde nei due emisferi, ma la risposta risultante sarà profondamente diversa perché uno dei due emisferi si trova in inverno o primavera mentre l’altro è nella fase opposta del ciclo stagionale. La climatologia dei venti, rappresentata dalle linee verdi, determina quindi dove e quando le anomalie QBO possono effettivamente interagire con le onde planetarie.
La Figura 4 possiede anche un significato metodologico importante. Se si classificano gli anni utilizzando il vento a 50 hPa in gennaio, il composito ottenuto non rappresenta soltanto una differenza locale a 50 hPa: seleziona implicitamente una determinata struttura verticale dell’intero ciclo QBO. Lo stesso vale per la classificazione basata sui 20 hPa di luglio. Poiché la QBO discende nel tempo, conoscere il segno del vento a un livello contiene inevitabilmente informazioni probabilistiche sul segno dei venti sopra e sotto di esso. Di conseguenza, attribuire la risposta polare esclusivamente al livello scelto per definire la fase può essere fuorviante. È precisamente questa difficoltà che Anstey e Shepherd considerano uno dei principali problemi ancora irrisolti: stabilire se il vortice risponda soprattutto alla QBO della bassa stratosfera, a quella della media o alta stratosfera oppure alla struttura verticale complessiva e alla circolazione meridiana associata.
La letteratura modellistica non fornisce una risposta completamente univoca. Gli esperimenti di Garfinkel et al. indicano che i venti orientali della bassa stratosfera svolgono un ruolo importante nel produrre la risposta polare e che la propagazione discendente della QBO o i venti equatoriali della stratosfera superiore risultano meno importanti nei loro esperimenti idealizzati. Naoe e Shibata, tuttavia, sottolineano maggiormente il ruolo della circolazione meridiana e dei cambiamenti della struttura dei venti nella stratosfera superiore, evidenziando come la spiegazione basata esclusivamente sulla bassa stratosfera non riproduca pienamente le diagnostiche osservate. Queste differenze non devono necessariamente essere considerate contraddittorie: possono indicare che il peso relativo dei diversi meccanismi cambia con la stagione, con lo stato del vortice e con la struttura verticale effettiva della QBO.
La forte coerenza verticale della risposta alle alte latitudini ha anche implicazioni importanti per l’accoppiamento stratosfera–troposfera. Baldwin e Dunkerton dimostrarono che la principale modalità di variabilità a bassa frequenza nell’emisfero settentrionale comprende un vortice polare stratosferico forte o debole e una corrispondente struttura troposferica simile all’Arctic Oscillation e alla NAO. Le anomalie stratosferiche possono precedere quelle superficiali, soprattutto durante il cuore dell’inverno. Questo non significa che l’anomalia osservata nella Figura 4 debba necessariamente raggiungere la superficie in ogni inverno, ma la profondità verticale del segnale rende fisicamente plausibile che, nelle circostanze favorevoli, una parte dell’informazione contenuta nella QBO venga trasmessa prima al vortice e successivamente alla troposfera.
Si può quindi immaginare una catena dinamica nella quale la QBO non “comanda” direttamente il clima superficiale, ma altera lo stato della stratosfera in modo tale da modificare le probabilità delle evoluzioni successive. Una QBO orientale nella bassa stratosfera può favorire maggiore convergenza dell’attività ondulatoria nel vortice, produrre venti polari più deboli e un riscaldamento dinamico più intenso; un vortice più debole può successivamente aumentare la probabilità di una configurazione negativa del modo anulare. Una QBO occidentale può invece contribuire al mantenimento di un vortice più intenso e favorire, statisticamente, il lato positivo del modo anulare. La relazione è però probabilistica: la variabilità intrinseca delle onde planetarie, ENSO, il ciclo solare e altri fattori possono amplificare, annullare o invertire la risposta in un singolo inverno.
La non stazionarietà temporale dell’effetto Holton–Tan è in questo senso particolarmente significativa. Lu et al. mostrarono che la relazione risultava molto più debole durante alcune porzioni del record osservativo, nonostante l’associazione media fra QBO-E e stratosfera artica più calda rimanesse riconoscibile nel periodo complessivo. Anche Naoe e Shibata ricordano che il segnale particolarmente forte individuato negli anni 1962–1977 non si mantenne con la stessa intensità nei decenni successivi. Ciò significa che la configurazione mostrata dalla Figura 4 è una risposta composita climatologica, non una struttura che debba comparire necessariamente in ogni ciclo della QBO.
Questo punto ha conseguenze profonde per l’interpretazione statistica. Le aree racchiuse dai contorni rossi o blu di significatività al 95% indicano che, nel campione 1957–2011, le differenze tra i due gruppi QBO risultano sufficientemente grandi rispetto alla dispersione interannuale. Tuttavia, la significatività statistica non stabilisce che la QBO sia l’unica causa dell’anomalia, né implica che il meccanismo sia lo stesso in tutti gli anni. Un campione di poco più di mezzo secolo comprende soltanto poche decine di cicli QBO e un numero ancora inferiore di combinazioni indipendenti con ENSO, ciclo solare e diversi stati del vortice. La Figura 4 deve quindi essere interpretata come una robusta descrizione climatologica dell’associazione, non come una mappa deterministica della risposta atmosferica.
Il valore scientifico della figura risiede proprio nella capacità di mostrare simultaneamente quanto il segnale sia chiaro e quanto il meccanismo sia complesso. La regione equatoriale presenta una successione verticale di anomalie opposte che riflette la propagazione discendente dell’oscillazione; i subtropici costituiscono la zona di transizione nella quale le anomalie QBO interagiscono con la climatologia dei venti e con la guida delle onde planetarie; alle alte latitudini emerge infine una risposta profonda e relativamente uniforme, riconducibile alla modulazione della forza del vortice. La connessione tra queste tre regioni non avviene attraverso una semplice trasmissione locale, ma attraverso la dinamica delle onde e della circolazione meridiana.
La Figura 4 rende quindi particolarmente evidente perché l’effetto Holton–Tan debba essere interpretato come un problema di interazione onda–flusso medio su scala emisferica. La QBO modifica il flusso medio tropicale e subtropicale; questo modifica le condizioni di propagazione e assorbimento delle onde; le onde cambiano il vortice; il vortice modificato altera a sua volta la successiva propagazione ondulatoria. La risposta finale può diventare molto più ampia e coerente verticalmente rispetto alla perturbazione iniziale. Non si tratta dunque di una teleconnessione passiva, ma di un processo dinamico con feedback.
Dal punto di vista della prevedibilità stagionale, questa caratteristica è di grande interesse. La QBO è una delle componenti atmosferiche più prevedibili su scale di diversi mesi grazie alla lenta discesa dei suoi regimi di vento. Se la struttura della QBO contribuisce a modificare probabilisticamente la forza del vortice polare, essa rappresenta una fonte potenziale di prevedibilità extratropicale. Tuttavia, la Figura 4 mostra anche perché non sia sufficiente conoscere semplicemente il segno del vento a 50 hPa. La configurazione verticale completa, la stagione, lo stato climatologico del vortice e le condizioni della propagazione ondulatoria devono essere considerate congiuntamente.
In definitiva, la Figura 4 può essere considerata una sintesi grafica di gran parte del problema scientifico affrontato da Anstey e Shepherd. In gennaio, la QBO occidentale a 50 hPa è associata a un vortice artico mediamente più intenso e verticalmente coerente rispetto alla QBO orientale; in novembre, la configurazione definita dalla QBO a 20 hPa mostra una marcata risposta nella stratosfera australe durante la fase di decadimento del vortice antartico. Nei Tropici, tuttavia, le anomalie cambiano segno con l’altezza, dimostrando che la QBO è una struttura verticale e non un semplice indice binario. Alle alte latitudini la risposta assume invece le caratteristiche di un modo dinamico profondo, suggerendo che il sistema extratropicale integri il forcing tropicale attraverso la propagazione delle onde, la circolazione meridiana e i feedback onda–flusso medio. È proprio questa trasformazione di una perturbazione tropicale fortemente stratificata in una risposta polare verticalmente coerente a rendere la Figura 4 fondamentale per comprendere l’effetto Holton–Tan e, più in generale, il modo in cui la stratosfera tropicale può influenzare la variabilità e la prevedibilità della circolazione atmosferica alle alte latitudini.
2.1. Emisfero settentrionale
Nell’emisfero settentrionale, il rapporto tra Oscillazione Quasi-Biennale e variabilità del vortice polare stratosferico rappresenta una delle manifestazioni più studiate dell’accoppiamento dinamico tra Tropici ed extratropici. L’interesse scientifico si è concentrato fin dalle prime ricerche sulla possibilità che la fase della QBO possa modificare la probabilità, la tempistica e l’intensità dei grandi disturbi del vortice, in particolare dei riscaldamenti stratosferici improvvisi. Il problema è tuttavia più complesso di una semplice associazione fra QBO orientale e maggiore frequenza degli SSW, perché il vortice polare boreale presenta una fortissima variabilità interna ed è simultaneamente influenzato dall’attività delle onde planetarie troposferiche, da ENSO, dal ciclo solare, dall’evoluzione stagionale della circolazione e da altri processi capaci di alterarne la stabilità. La rassegna di Anstey e Shepherd sottolinea proprio come l’effetto Holton–Tan rappresenti una correlazione robusta su scala climatologica, ma non una relazione deterministica: la QBO modifica lo stato dinamico nel quale evolve il vortice e quindi le probabilità delle diverse traiettorie atmosferiche, senza determinare da sola l’insorgenza di un SSW.
Le osservazioni pionieristiche di Labitzke nei primi anni Ottanta rappresentarono uno dei primi tentativi sistematici di collegare la fase della QBO ai grandi riscaldamenti stratosferici. Analizzando circa ventisei anni della temperatura polare a 30 hPa, Labitzke osservò che gli SSW di pieno inverno risultavano meno frequenti durante le fasi occidentali della QBO, suggerendo quindi una maggiore predisposizione del vortice alla destabilizzazione durante la fase orientale. Questa associazione appariva tuttavia meno semplice durante i periodi di elevata attività solare, quando alcuni inverni QBO-W mostravano ugualmente vortici fortemente disturbati. Il risultato pose immediatamente una questione che sarebbe rimasta centrale per decenni: la relazione QBO–vortice non può essere interpretata isolando la QBO dal resto del sistema climatico, perché differenti sorgenti di variabilità possono interagire non linearmente e modificare la risposta osservata.
Un contributo concettuale particolarmente importante fu fornito da McIntyre, che propose di interpretare il rapporto tra QBO e SSW attraverso il concetto di precondizionamento stratosferico. Un vortice polare non passa generalmente da una configurazione climatologicamente intensa a un grande riscaldamento in maniera completamente improvvisa e indipendente dalla propria storia precedente. Durante le settimane e i mesi antecedenti un SSW, ripetuti episodi di propagazione delle onde planetarie possono progressivamente modificare la struttura del vortice, contrarlo, deformarlo, spostarlo dal Polo e alterare la distribuzione del gradiente di vorticità potenziale. In questo senso, la fase della QBO potrebbe contribuire non tanto a “generare” direttamente un SSW quanto a modificare il modo in cui il vortice accumula gli effetti del forcing ondulatorio nel corso dell’inverno. Una QBO favorevole a una maggiore propagazione e deposizione di quantità di moto delle onde potrebbe quindi accompagnare un più rapido avvicinamento del sistema a uno stato precondizionato, nel quale un ulteriore impulso ondulatorio avrebbe maggiori probabilità di produrre una perturbazione estrema.
Questa impostazione rimane estremamente utile anche alla luce della comprensione moderna dell’effetto Holton–Tan. White, Lu e Mitchell hanno mostrato che la risposta QBO-vortice evolve durante l’inverno attraverso una sequenza di processi differenti. Durante ottobre-dicembre, una QBO orientale nella bassa stratosfera è associata a una maggiore propagazione verso l’alto delle onde planetarie quasi stazionarie dalla troposfera verso la bassa stratosfera subtropicale e delle medie latitudini. Successivamente emergono anomalie di propagazione verso il polo, favorite anche da interazioni non lineari tra le onde. La rottura ondulatoria contribuisce a indebolire il vortice e a intensificare la circolazione meridiana residua, determinando riscaldamento alle alte latitudini. Più avanti nella stagione, il vortice già modificato altera a sua volta la guida d’onda e la propagazione delle perturbazioni successive. L’effetto Holton–Tan deve quindi essere considerato come un fenomeno evolutivo, caratterizzato da memoria e feedback, piuttosto che come una risposta istantanea del vortice al segno del vento equatoriale.
La nozione di precondizionamento permette inoltre di comprendere perché i grandi SSW non debbano essere considerati l’unica manifestazione dell’influenza della QBO. Gli SSW rappresentano gli estremi della distribuzione della variabilità del vortice, ma anche in assenza di un major warming il vortice può essere più o meno intenso, più o meno simmetrico, più o meno spostato dal Polo e caratterizzato da differenti livelli di attività ondulatoria. Wallace e Chang e successivamente Holton e Tan sottolinearono proprio questo punto, osservando che la variabilità stratosferica associata alla QBO può manifestarsi anche negli inverni privi di SSW. Per questa ragione è utile analizzare separatamente l’inizio e la seconda parte dell’inverno: novembre e dicembre, quando i major SSW sono ancora relativamente rari, permettono di studiare la costruzione iniziale della teleconnessione QBO-vortice senza che il segnale venga dominato dagli eventi estremi di pieno inverno.
L’idea che l’intera struttura verticale della QBO sia rilevante emerse con particolare chiarezza nello studio di Dunkerton e collaboratori del 1988. Gli autori osservarono che i major SSW tendevano a essere poco frequenti quando la QBO presentava una fase occidentale estesa verticalmente su uno strato profondo. Il concetto di “QBO profonda” è dinamicamente differente dalla semplice classificazione basata sul vento a 50 hPa. La QBO infatti non evolve come una colonna atmosferica uniforme: i regimi orientali e occidentali discendono progressivamente e possono rallentare la loro propagazione intorno a determinati livelli, in particolare vicino ai 30 hPa durante l’inverno boreale. Ne consegue che un inverno classificato come QBO-W a 50 hPa può contemporaneamente presentare venti orientali nella media stratosfera. La Figura 1 dello studio di Anstey e Shepherd mostra molto chiaramente questa geometria, evidenziando anche come le fasi occidentali possano assumere una caratteristica struttura a “stivale” quando la discesa rallenta nella media stratosfera.
Questo aspetto ha implicazioni fondamentali per l’interpretazione fisica della teleconnessione. Se la QBO influenza la propagazione delle onde planetarie attraverso l’intera distribuzione verticale del vento e della temperatura, allora il semplice segno del vento a 50 hPa non può fornire una descrizione completa dello stato dinamico tropicale. Due inverni entrambi classificati come QBO-W alla stessa quota possono presentare strutture molto differenti sopra i 30 hPa e quindi modificare in modo diverso la circolazione meridiana, l’indice di rifrazione e le regioni di propagazione delle onde. La stessa rassegna di Anstey e Shepherd identifica l’incertezza sul livello della QBO più rilevante come una delle questioni ancora irrisolte nello studio dell’effetto Holton–Tan.
L’interferenza tra QBO e ciclo solare rappresentò un’altra svolta concettuale. Labitzke e van Loon mostrarono che il legame fra temperatura polare e attività solare appariva molto più chiaramente quando gli inverni venivano prima suddivisi secondo la fase della QBO. Durante QBO-W, l’aumento dell’attività solare risultava associato a temperature e geopotenziali polari più elevati, mentre durante QBO-E il segnale aveva segno opposto o risultava molto più debole. La successiva rassegna di Gray e collaboratori ha confermato che questa relazione QBO–ciclo solare costituisce uno dei segnali più studiati della variabilità stratosferica boreale, pur sottolineando le difficoltà statistiche e la complessità dei meccanismi. Gli SSW tendono infatti a essere favoriti durante combinazioni di minimo solare e QBO orientale oppure di massimo solare e QBO occidentale, ma non sono affatto esclusivi di queste configurazioni. Inoltre, la letteratura non è completamente concorde sul fatto che durante i massimi solari l’effetto Holton–Tan venga propriamente invertito oppure soltanto indebolito.
Dal punto di vista fisico, il collegamento con il ciclo solare viene generalmente interpretato attraverso la risposta stratosferica alla variabilità della radiazione ultravioletta. Le variazioni dell’irradianza UV durante il ciclo undecennale influenzano direttamente la produzione di ozono e il riscaldamento della stratosfera superiore tropicale e subtropicale. Le conseguenti anomalie termiche modificano i gradienti meridionali di temperatura e quindi il vento zonale, alterando a loro volta la propagazione delle onde planetarie. Il segnale solare inizialmente concentrato nella stratosfera superiore può così essere amplificato dinamicamente attraverso l’interazione onda–flusso medio e propagarsi verso il polo e verso quote inferiori. Questa famiglia di processi costituisce il cosiddetto meccanismo “top-down” dell’influenza solare sul clima. Gray et al. osservano che l’interazione fra QBO e ciclo solare potrebbe svilupparsi soprattutto attraverso la sovrapposizione delle rispettive anomalie dei venti nella stratosfera equatoriale e subtropicale, modificando la tempistica e la probabilità dei grandi disturbi del vortice.
Tuttavia, la forza di queste correlazioni deve essere interpretata con cautela. Baldwin e Dunkerton evidenziarono già alla fine degli anni Ottanta che, quando la quota utilizzata per classificare la fase della QBO viene scelta a posteriori allo scopo di massimizzare una correlazione, il rischio di sovrastimarne la significatività aumenta considerevolmente. Questo problema è particolarmente serio perché la stratosfera extratropicale possiede pochi gradi di libertà su scala stagionale: grandi anomalie della temperatura polare tendono a essere correlate con anomalie della temperatura in vaste aree dell’emisfero. Di conseguenza, differenti forzanti come QBO, ENSO o ciclo solare possono proiettarsi su configurazioni spaziali molto simili, anche se i processi iniziali che le producono sono differenti.
Questa osservazione introduce il concetto, molto importante, secondo cui il vortice polare possiede modi dinamici preferenziali di risposta. La QBO, il ciclo solare, ENSO o semplicemente la variabilità interna delle onde non generano necessariamente configurazioni completamente indipendenti; possono invece eccitare lo stesso modo naturale della circolazione stratosferica. Kodera sviluppò questa interpretazione proponendo che diverse combinazioni di QBO e attività solare producano inizialmente anomalie differenti, ma che nel corso dell’inverno la loro evoluzione converga verso una struttura polare simile attraverso l’interazione onda–flusso medio. In questa visione, ciò che conta non è soltanto la natura della forzante iniziale, ma il modo in cui il sistema stratosferico amplifica e riorganizza quella perturbazione durante la stagione.
Il concetto è strettamente collegato al Northern Annular Mode. La principale modalità di variabilità della stratosfera extratropicale è infatti caratterizzata da una variazione verticalmente coerente dell’intensità del vortice polare. Quando il vortice è forte, i venti occidentali aumentano e il geopotenziale polare diminuisce; quando è debole, avviene il contrario. Diversi tipi di forcing possono quindi proiettarsi sulla medesima struttura NAM. Questo aiuta a spiegare perché le risposte associate a QBO, ENSO e ciclo solare possano apparire sorprendentemente simili nelle mappe di geopotenziale o temperatura. La somiglianza del pattern finale non dimostra che le cause siano identiche, ma suggerisce che l’atmosfera extratropicale tenda a organizzare le perturbazioni attraverso un numero relativamente limitato di modi dinamici.
L’analisi di Dunkerton e Baldwin del 1991 rappresentò un passaggio fondamentale nella comprensione osservativa del meccanismo. Utilizzando un record più lungo delle analisi NMC e includendo il periodo satellitare, gli autori mostrarono che il segnale Holton–Tan si estendeva fino alla stratosfera superiore, vicino a 1 hPa. Il livello intorno a 40 hPa risultava particolarmente efficace nel descrivere la correlazione tra QBO ed extratropici. Soprattutto, gli autori utilizzarono il flusso di Eliassen–Palm per analizzare l’attività delle onde planetarie e mostrarono che le differenze nella convergenza del flusso EP tra QBO-W e QBO-E erano coerenti con una modifica della dissipazione ondulatoria capace di produrre sia la differenza di vento zonale sia la corrispondente circolazione meridiana.
Il significato dinamico del flusso EP è fondamentale. Esso rappresenta una misura dell’attività delle onde e della sua propagazione nell’atmosfera; la sua convergenza indica regioni nelle quali le onde trasferiscono quantità di moto al flusso medio. Quando le onde planetarie vengono assorbite o rompono nella stratosfera polare, esercitano un drag sui venti occidentali, indebolendo il vortice. Contemporaneamente viene indotta una circolazione meridiana con trasporto verso il polo e subsidenza alle alte latitudini, producendo riscaldamento adiabatico della calotta polare. Il fatto che le differenze QBO-W/QBO-E nella convergenza EP siano coerenti con le anomalie del vento fornisce quindi un sostegno importante all’idea che l’accoppiamento QBO-vortice sia mediato dalle onde planetarie.
Ciò non significa però che la QBO “accenda” o “spenga” l’attività ondulatoria. Dunkerton e Baldwin sottolinearono che onde e flusso medio sono fortemente accoppiati durante entrambe le fasi QBO e che attività planetaria intensa può verificarsi sia durante QBO-E sia durante QBO-W. La QBO modifica piuttosto la distribuzione spaziale, la propagazione e l’efficacia dinamica di tale attività. Questo è un punto essenziale: il vortice non è perturbato perché durante QBO-E “esistono” onde e durante QBO-W no, ma perché il background flow rende differente la traiettoria, l’assorbimento e la rottura delle onde già generate nella troposfera.
Le analisi moderne hanno approfondito proprio questo aspetto. White e collaboratori, utilizzando ERA-Interim e diagnostiche basate sulla vorticità potenziale, hanno mostrato che durante QBO-E aumenta il flusso verso l’alto dell’attività ondulatoria nella bassa stratosfera subtropicale e delle medie latitudini, accompagnato da maggiore convergenza e crescita ondulatoria. Nella media stratosfera aumenta inoltre la propagazione verso il polo, con maggiore convergenza alle alte latitudini. Gli autori rilevano che il semplice spostamento della linea critica subtropicale non è sufficiente per spiegare l’intera risposta: la circolazione meridiana indotta dalla QBO può spostare verso il polo il jet subtropicale e la guida d’onda, facilitando un maggiore ingresso di attività ondulatoria nella stratosfera.
Questa interpretazione amplia considerevolmente il paradigma originario di Holton e Tan. Invece di un singolo meccanismo basato sullo spostamento della superficie di vento nullo, la risposta appare come il risultato congiunto di modificazioni della guida d’onda, della baroclinicità delle medie latitudini, della circolazione meridiana QBO-indotta e delle interazioni non lineari tra diverse componenti ondulatorie. White, Lu e Mitchell hanno inoltre mostrato che onde planetarie stazionarie, onde planetarie transitorie e onde sinottiche contribuiscono in momenti differenti dell’inverno, rafforzando l’idea che l’effetto Holton–Tan non possieda un unico meccanismo valido con la stessa intensità da ottobre a marzo.
Un’altra importante caratteristica del segnale boreale è la sua non stazionarietà decadale. Dunkerton e Baldwin notarono che l’influenza della QBO appariva più debole utilizzando periodi osservativi più lunghi rispetto al campione originario di Holton e Tan, pur rimanendo statisticamente significativa. Naito e Hirota mostrarono successivamente che il segnale di novembre-dicembre era relativamente indipendente dal ciclo solare, mentre quello di gennaio-febbraio appariva molto più sensibile alla fase dell’attività solare. Da ciò derivò l’ipotesi secondo cui la QBO eserciterebbe l’influenza predominante nella prima parte dell’inverno, mentre il ciclo solare diverrebbe più importante nella fase avanzata della stagione.
Ricerche successive hanno confermato che la forza dell’effetto Holton–Tan varia considerevolmente nel tempo. Lu e collaboratori hanno analizzato il marcato indebolimento della relazione durante gli inverni medio-tardivi del periodo 1978–1997, mostrando che in quegli anni il vortice era mediamente più ampio e più intenso già tra novembre e gennaio. La divergenza dell’attività ondulatoria generata da eddies presenti all’interno del vortice permetteva alle onde di propagarsi lontano dalla regione polare, interferendo con la normale modulazione della propagazione planetaria da parte della QBO. Gli autori suggeriscono quindi che cambiamenti dello stato medio stratosferico e dell’accoppiamento stratosfera–troposfera possano alterare sostanzialmente l’efficacia del meccanismo Holton–Tan.
La non stazionarietà è un punto concettualmente molto importante. Se la relazione QBO-vortice dipendesse esclusivamente dal segno del vento equatoriale, ci si aspetterebbe una risposta relativamente stabile da un decennio all’altro. Il fatto che ciò non avvenga dimostra invece che la teleconnessione dipende dallo stato di fondo dell’atmosfera. La QBO può modificare la propagazione delle onde, ma l’effetto di questa modifica dipende dalla geometria preesistente della guida d’onda, dalla forza del vortice, dalla posizione dei jet e dalla distribuzione delle sorgenti troposferiche delle onde. Un cambiamento relativamente piccolo nello stato medio può quindi amplificare o sopprimere l’impatto extratropicale della stessa anomalia tropicale.
Questa prospettiva aiuta anche a comprendere la cosiddetta variabilità quasi-decadale della forza dell’effetto Holton–Tan. Dunkerton e Baldwin, e successivamente Kodera, mostrarono che l’intensità della correlazione tra temperatura polare e QBO varia su scale dell’ordine di un decennio. Una parte di questa modulazione sembrava compatibile con il ciclo solare, ma non era possibile stabilire che tutta la variabilità quasi-decadale fosse direttamente forzata dal Sole. Kodera mostrò infatti che una modulazione decadale poteva essere isolata matematicamente nella temperatura polare senza introdurre esplicitamente alcun indice solare. Ciò suggerisce che la stratosfera possa possedere una propria variabilità a bassa frequenza oppure che diverse sorgenti di variabilità possano combinarsi generando un segnale apparentemente quasi-decadale.
Anche la letteratura più moderna invita alla prudenza nell’attribuire ogni modulazione decadale al ciclo solare. La rassegna di Gray et al. riconosce la persistenza della relazione statistica QBO–attività solare–vortice e la sua estensione attraverso numerosi cicli solari, ma sottolinea allo stesso tempo quanto sia difficile distinguere contributi radiativi, dinamici, vulcanici e interni utilizzando un record osservativo relativamente breve. In particolare, le grandi eruzioni vulcaniche avvenute nel tardo XX secolo possono produrre anomalie stratosferiche e dei modi anulari che rischiano di sovrapporsi ai segnali solari.
Il ruolo degli SSW deve quindi essere inserito all’interno di questo quadro più generale. Una QBO orientale nella bassa stratosfera tende mediamente a favorire un vortice più caldo, più debole e maggiormente disturbato, ma gli SSW non sono esclusivi della QBO-E. Durante QBO-W possono ugualmente verificarsi grandi warming, soprattutto in determinate configurazioni del ciclo solare o quando la forzante ondulatoria troposferica è particolarmente intensa. Gray et al. sottolineano esplicitamente questo punto, osservando che il segnale QBO modifica la predisposizione del vortice ma non rappresenta una condizione necessaria o sufficiente per un SSW.
Da un punto di vista fisico, questo comportamento è perfettamente coerente con la natura non lineare del sistema. Un SSW richiede un forcing ondulatorio sufficientemente intenso e persistente, ma la soglia necessaria a destabilizzare il vortice dipende dallo stato nel quale esso si trova. La QBO può abbassare o innalzare questa soglia modificando la geometria del vortice e la propagazione delle onde. Durante una QBO orientale, un vortice già indebolito e precondizionato potrebbe richiedere un impulso ondulatorio relativamente minore per entrare in una fase di rapido collasso; durante QBO-W, un vortice più intenso potrebbe richiedere una perturbazione maggiore. Nonostante ciò, un episodio ondulatorio eccezionalmente forte può comunque produrre un SSW anche in condizioni QBO-W.
La struttura verticale del segnale boreale rafforza inoltre la concezione del vortice come modo dinamico profondo. Baldwin e Dunkerton mostrarono che la correlazione fra QBO equatoriale e venti extratropicali si estendeva dalla regione polare fino a latitudini molto più basse e attraverso gran parte dello spessore della stratosfera. Anstey e Shepherd aggiornano questo quadro mostrando nella loro Figura 4 una risposta coerente verticalmente dalla bassa alla media-alta stratosfera. La presenza di una correlazione particolarmente intensa alle quote superiori non implica però che tali livelli siano necessariamente la causa primaria della risposta. Le anomalie possono infatti emergere come parte di un modo dinamico verticalmente coerente, nel quale diverse quote rispondono contemporaneamente alla stessa riorganizzazione della circolazione.
Questa distinzione tra correlazione e causalità è fondamentale. Un forte segnale a 5 o 10 hPa potrebbe derivare dal fatto che proprio la stratosfera superiore rappresenta la regione nella quale il vortice risponde maggiormente al forcing ondulatorio, senza implicare che l’anomalia equatoriale a quelle quote abbia originato la teleconnessione. Al contrario, una perturbazione iniziata nella bassa stratosfera subtropicale può modificare la propagazione delle onde e produrre successivamente una risposta massima nella stratosfera superiore polare. Lo studio dell’effetto Holton–Tan richiede quindi diagnostiche dinamiche capaci di seguire il flusso di attività ondulatoria e l’evoluzione temporale del sistema, non soltanto mappe di correlazione.
L’analisi EOF di Dunkerton e Baldwin del 1992 contribuì ulteriormente a questa interpretazione mostrando che il principale modo di variabilità del vento zonale e della temperatura nell’emisfero settentrionale coincideva molto bene con la configurazione spaziale associata alla QBO durante dicembre-febbraio. Il risultato suggeriva che la QBO non generasse una struttura extratropicale completamente nuova, ma modulasse un modo di variabilità già naturale alla stratosfera boreale. Lo stesso concetto riappare negli studi moderni sui modi anulari e sull’accoppiamento stratosfera–troposfera: diverse forzanti possono eccitare lo stesso “pattern” dinamico, mentre la differenza riguarda il modo in cui tale pattern viene attivato, la sua ampiezza e la sua persistenza.
Questa interpretazione possiede importanti implicazioni per la prevedibilità stagionale. La QBO è altamente prevedibile su scale di diversi mesi grazie alla lenta discesa dei suoi regimi di vento. Se essa modifica la probabilità che il vortice entri in una fase forte, debole o particolarmente vulnerabile agli SSW, costituisce una sorgente preziosa di informazione iniziale per i sistemi di previsione. Tuttavia, il valore predittivo della QBO dipende dalla capacità dei modelli di rappresentarne correttamente la struttura verticale e di simulare la risposta ondulatoria extratropicale. Studi multimodello più recenti mostrano che i modelli capaci di risolvere la QBO riproducono generalmente la preferenza per un vortice più forte durante QBO-W e più debole durante QBO-E, nonché una tendenza della NAO verso valori più positivi durante QBO-W soprattutto in gennaio, ma l’ampiezza e la stagionalità della teleconnessione variano considerevolmente tra i modelli.
Anche le analisi successive alla rassegna di Anstey e Shepherd hanno rafforzato l’idea che lo sviluppo extratropicale della risposta debba essere interpretato come un processo temporale. White et al. identificano una fase iniziale nella quale QBO-E aumenta l’ingresso verso l’alto delle onde stazionarie dalla troposfera, una fase successiva caratterizzata da maggiore propagazione verso il polo nella media stratosfera e infine una fase di fine inverno nella quale il vortice già modificato altera la propagazione delle onde transitorie e sinottiche. Questo quadro offre una versione dinamicamente più completa del precondizionamento proposto da McIntyre oltre quarant’anni prima: gli effetti della QBO si accumulano progressivamente e modificano la storia dinamica del vortice, cambiando le condizioni sulle quali agiranno le perturbazioni successive.
La teleconnessione boreale deve quindi essere interpretata come il risultato dell’interazione tra almeno tre componenti strettamente accoppiate: la struttura verticale e stagionale della QBO tropicale, la propagazione delle onde provenienti dalla troposfera e lo stato precedente del vortice polare. Nessuna di queste può essere considerata completamente indipendente dalle altre. La QBO modifica il percorso delle onde, le onde modificano il vortice, e il vortice modificato cambia a sua volta la propagazione delle onde. È questa retroazione a rendere possibile l’amplificazione di una perturbazione tropicale relativamente modesta fino a produrre anomalie stratosferiche di grande ampiezza alle alte latitudini.
Nel complesso, gli studi osservativi dell’emisfero settentrionale delineano quindi un quadro molto più articolato rispetto alla semplice affermazione secondo cui “QBO orientale significa vortice debole”. La fase orientale della QBO nella bassa stratosfera tende effettivamente ad associarsi, in media, a un vortice artico più caldo, debole e perturbato, mentre la fase occidentale favorisce condizioni più fredde e un vortice più intenso. Tuttavia, la forza della relazione dipende dalla stagione, dalla profondità verticale della fase QBO, dallo stato del ciclo solare, dalla variabilità quasi-decadale, da ENSO, dall’intensità delle onde troposferiche e dalla configurazione preesistente del vortice. L’effetto Holton–Tan deve quindi essere considerato come una modulazione probabilistica e dinamicamente evolutiva della variabilità stratosferica, non come una regola deterministica.
È proprio questa concezione che permette di riconciliare risultati apparentemente discordanti della letteratura. Gli anni in cui il legame QBO-vortice appare fortissimo non dimostrano che la QBO sia l’unica forzante; i periodi in cui il segnale si indebolisce non implicano che l’effetto Holton–Tan sia scomparso. La teleconnessione emerge dall’interazione della QBO con uno stato atmosferico variabile. Quando la configurazione delle guide d’onda, del jet subtropicale e del vortice favorisce la propagazione planetaria coerente con la fase della QBO, il segnale può essere particolarmente intenso; quando lo stato di fondo interferisce con questo percorso, la relazione può risultare debole o temporaneamente mascherata. Lu et al. mostrano precisamente come un vortice più ampio e intenso possa interferire con la modulazione QBO della propagazione ondulatoria e spiegare periodi di forte attenuazione dell’effetto Holton–Tan.
La lunga storia degli studi sull’emisfero settentrionale conduce quindi a una conclusione fondamentale: la QBO esercita un’influenza reale e fisicamente interpretabile sul vortice polare boreale, ma tale influenza si manifesta attraverso il sistema di interazioni onda–flusso medio che governa l’intera stratosfera invernale. Gli SSW rappresentano soltanto l’espressione più estrema di questa modulazione. Più in generale, la QBO modifica la probabilità che il vortice occupi determinati stati, influenza la sua suscettibilità alla perturbazione, altera la distribuzione del forcing ondulatorio e può contribuire a eccitare i principali modi naturali della circolazione extratropicale. In questo senso, la sezione dedicata all’emisfero settentrionale mostra come l’effetto Holton–Tan non sia soltanto una teleconnessione tra Equatore e Polo, ma un esempio paradigmatico di come una perturbazione relativamente regolare e prevedibile nella stratosfera tropicale possa interagire con la variabilità caotica delle onde planetarie e modificare l’evoluzione stagionale dell’intero vortice polare.
2.1. Emisfero settentrionale
La Figura 5 di Anstey e Shepherd rappresenta uno dei passaggi più delicati e scientificamente interessanti dell’analisi osservativa dell’emisfero settentrionale, perché affronta direttamente una questione che ha accompagnato lo studio dell’effetto Holton–Tan fin dagli anni Ottanta: la risposta del vortice polare alla Quasi-Biennial Oscillation non sembra essere indipendente dallo stato del ciclo solare undecennale. Gli autori abbandonano quindi, almeno temporaneamente, la rappresentazione puramente binaria QBO-W contro QBO-E e collocano lo stato giornaliero del vortice in uno spazio bidimensionale definito contemporaneamente dal vento equatoriale della QBO e dall’attività solare. Ne emerge un quadro nel quale la QBO continua a esercitare un’influenza riconoscibile sul vortice, ma l’ampiezza di tale influenza cambia considerevolmente tra minimo e massimo solare. La figura non dimostra l’esistenza di una semplice forzante solare diretta sul vortice, bensì evidenzia il carattere condizionale e dipendente dallo stato di fondo della teleconnessione QBO–alte latitudini, tema centrale della rassegna di Anstey e Shepherd.
Nei pannelli (a) e (b), il vortice polare viene descritto mediante il vento zonale medio zonale a 10 hPa e 60°N. Questa scelta possiede un significato dinamico molto diretto: valori elevati e positivi corrispondono a forti venti occidentali circumpolari e quindi, in senso climatologico, a un vortice relativamente intenso, compatto e freddo; valori più piccoli indicano invece un vortice indebolito, maggiormente disturbato dalle onde planetarie e generalmente associato a una stratosfera polare più calda. La variabile utilizzata non misura quindi soltanto una temperatura locale o un’altezza geopotenziale, ma una componente essenziale della struttura dinamica del vortice. È inoltre strettamente collegata alle definizioni moderne dei major Sudden Stratospheric Warmings, che utilizzano proprio l’inversione del vento zonale stratosferico alle alte latitudini come indicatore fondamentale dell’evento.
Sull’asse orizzontale dei pannelli compare il flusso radio solare a 10,7 cm, espresso in solar flux units, o sfu, mentre sull’asse verticale è rappresentato il vento equatoriale utilizzato per definire la fase della QBO. Il flusso F10.7 costituisce uno dei proxy più utilizzati dell’attività solare perché segue molto bene l’evoluzione del ciclo undecennale. Non deve essere interpretato come il meccanismo radiativo che agisce direttamente sulla stratosfera: è soprattutto un indicatore dello stato dell’attività solare, mentre dal punto di vista fisico risultano particolarmente importanti le variazioni spettrali della radiazione ultravioletta, capaci di modificare direttamente la produzione di ozono e il riscaldamento della stratosfera superiore. La rassegna di Gray et al. sottolinea infatti che una delle vie più solide attraverso le quali il ciclo solare può influenzare la dinamica atmosferica inizia proprio dalle variazioni dell’UV, dalla conseguente risposta dell’ozono e della temperatura e dalle modificazioni dei gradienti termici e dei venti zonali che alterano l’interazione fra onde planetarie e flusso medio.
Nel pannello (a), relativo a gennaio-febbraio, la fase della QBO viene definita attraverso il vento equatoriale giornaliero a 50 hPa. La linea orizzontale nera separa quindi i valori positivi, cioè la fase occidentale, da quelli negativi, corrispondenti alla fase orientale. La linea verticale posta a 130 sfu divide invece convenzionalmente le condizioni di bassa attività solare, SC-min, da quelle di maggiore attività, SC-max. Lo spazio QBO–ciclo solare viene in questo modo suddiviso in quattro grandi settori: QBO-W/minimo solare, QBO-W/massimo solare, QBO-E/minimo solare e QBO-E/massimo solare. Ogni piccolo quadrato mostra il vento medio del vortice osservato per i giorni appartenenti a quella particolare combinazione di QBO e attività solare. Le tonalità più rosse indicano vortici più intensi; quelle blu indicano vortici più deboli e disturbati.
La dispersione dei colori all’interno di ciascun quadrante è già, di per sé, un risultato importante. A parità approssimativa di QBO e attività solare, lo stato del vortice può variare enormemente. Ciò costituisce una rappresentazione visiva molto efficace della forte variabilità interna della stratosfera boreale. La QBO e il ciclo solare modificano lo stato medio e le probabilità del sistema, ma non eliminano il ruolo dell’attività ondulatoria troposferica, degli SSW, di ENSO e delle interazioni non lineari onda–flusso medio. Un’interpretazione deterministica della figura sarebbe quindi profondamente errata: essa mostra spostamenti della distribuzione statistica del vortice, non una corrispondenza univoca tra una determinata configurazione QBO-solare e uno specifico stato stratosferico.
Il risultato medio diventa molto più evidente quando si osservano i valori riportati nei quattro quadranti. Durante gennaio-febbraio, la combinazione QBO occidentale e minimo solare è associata a un vento medio del vortice di circa 34,7 m/s, il valore più elevato fra i quattro gruppi. Passando alla QBO orientale mantenendo il minimo solare, la media scende a circa 21,3 m/s. La differenza supera quindi 13 m/s ed è la più marcata dell’intera analisi. In condizioni di minimo solare emerge pertanto con grande chiarezza il classico effetto Holton–Tan: QBO-W corrisponde mediamente a un vortice molto più forte rispetto a QBO-E.
La situazione cambia considerevolmente durante il massimo solare. Con QBO-W, il vento medio scende da 34,7 a circa 29,0 m/s, mentre durante QBO-E sale da 21,3 a circa 25,3 m/s. La differenza W–E conserva quindi lo stesso segno nel pannello di gennaio-febbraio — il vortice rimane mediamente più intenso durante QBO-W — ma diventa molto più piccola. Questo punto è fondamentale perché distingue due possibili formulazioni della relazione solare. Non è necessario sostenere che il ciclo solare “inverta” sempre l’effetto Holton–Tan. Nei dati mostrati da Anstey e Shepherd, la descrizione più appropriata per gennaio-febbraio è che il massimo solare indebolisce sostanzialmente la separazione QBO-W/QBO-E, senza invertirne il segno medio.
La questione della possibile inversione o del semplice indebolimento dell’effetto Holton–Tan durante il massimo solare è stata a lungo discussa. Labitzke e van Loon interpretarono le osservazioni come indicazione di una relazione fortemente dipendente dalla combinazione QBO–ciclo solare, mentre studi successivi furono più cauti sull’esistenza di una vera inversione sistematica. La rassegna di Gray et al. nota precisamente questa differenza interpretativa: i primi lavori suggerivano una possibile inversione durante il massimo solare, mentre analisi successive trovarono soprattutto una perturbazione o attenuazione della relazione. La stessa rassegna conferma comunque che il legame fra attività solare e stratosfera polare diventa molto più evidente quando il campione viene separato secondo la fase della QBO.
Il pannello (c) sintetizza la struttura di gennaio-febbraio riducendo l’intera distribuzione ai quattro valori medi. È una rappresentazione particolarmente istruttiva perché rende immediatamente visibile l’interazione. Se QBO e ciclo solare agissero come due forzanti completamente indipendenti e additive, ci si aspetterebbe idealmente che il passaggio da minimo a massimo solare producesse una variazione dello stesso segno e di ampiezza comparabile durante entrambe le fasi QBO. Non è ciò che appare. Durante QBO-W, l’aumento dell’attività solare è associato a un vortice più debole; durante QBO-E, invece, è associato a un vortice più forte. Allo stesso modo, la differenza fra QBO-W e QBO-E è enorme durante SC-min e molto più piccola durante SC-max.
Le frecce bianche del pannello (c) sintetizzano questa informazione in termini di perturbazione del vortice. Esse puntano nella direzione dello spazio QBO–ciclo solare verso la quale il vortice diventa mediamente più debole e più caldo. La dimensione delle frecce rappresenta schematicamente la robustezza statistica relativa del segnale. La freccia di gran lunga più importante è quella corrispondente alla transizione W–E durante minimo solare: il test utilizzato dagli autori attribuisce a questa differenza un livello di significatività prossimo al 99%. L’effetto Holton–Tan sotto minimo solare emerge quindi come il risultato statisticamente più robusto della figura.
La seconda relazione più evidente in gennaio-febbraio è quella associata al cambiamento dell’attività solare durante QBO-W, con un livello di significatività molto inferiore, intorno all’88%. Questa differenza fra la robustezza delle frecce è altrettanto importante dei valori medi: suggerisce che il segnale più solido non sia una risposta autonoma e semplice del vortice al ciclo solare, bensì la marcata differenza fra QBO-W e QBO-E quando l’attività solare è relativamente bassa. La figura appare quindi maggiormente compatibile con un effetto Holton–Tan modulato dal ciclo solare che con un controllo solare indipendente e dominante del vortice.
Questa conclusione si inserisce direttamente nella discussione iniziata dai lavori di Labitzke e van Loon. Gray et al. hanno successivamente mostrato che la relazione osservativa fra attività solare, QBO e stratosfera polare persiste anche quando il dataset viene esteso fino a comprendere numerosi cicli solari. Nella loro rassegna viene sottolineato che, in termini generali, condizioni relativamente calde e disturbate della stratosfera polare tendono a comparire più frequentemente nelle combinazioni minimo solare/QBO-E e massimo solare/QBO-W, mentre configurazioni relativamente più fredde si trovano nelle combinazioni opposte. Gli stessi autori ricordano tuttavia che gli SSW non sono esclusivi di nessuna delle quattro categorie e che i meccanismi fisici dell’interazione QBO-solare non sono ancora completamente risolti.
Il pannello (b) introduce una modifica importante: vengono considerati febbraio e marzo e la QBO viene definita attraverso il vento equatoriale a 30 hPa anziché a 50 hPa. La scelta riflette la struttura verticale e stagionale dell’oscillazione e il fatto che livelli differenti possono risultare maggiormente correlati con il vortice nelle diverse fasi dell’inverno. Il risultato appare molto più disperso rispetto a gennaio-febbraio. Le medie dei quattro quadranti diventano circa 20,2 m/s per QBO-W/minimo solare, 17,8 m/s per QBO-W/massimo solare, 16,4 m/s per QBO-E/minimo solare e 18,9 m/s per QBO-E/massimo solare.
Il corrispondente pannello (d) rende particolarmente evidente l’indebolimento della relazione. Durante minimo solare il vortice rimane più forte in QBO-W che in QBO-E, con una differenza tra 20,2 e 16,4 m/s, ma l’ampiezza è molto inferiore a quella osservata in gennaio-febbraio. Durante massimo solare, invece, i valori sono estremamente vicini e la relazione cambia leggermente segno: 17,8 m/s in QBO-W contro 18,9 m/s in QBO-E. Non sarebbe però corretto interpretare questa piccola inversione come una dimostrazione robusta di un vero ribaltamento dell’effetto Holton–Tan, perché la dispersione è elevata e il test statistico indica una robustezza modesta. La differenza W–E durante minimo solare rimane il segnale più forte di febbraio-marzo, ma raggiunge soltanto circa l’81% nel test adottato dagli autori.
Questa differenza tra gennaio-febbraio e febbraio-marzo è perfettamente coerente con un tema ricorrente della letteratura osservativa: il segnale Holton–Tan boreale è generalmente più robusto nella prima parte dell’inverno e diventa più difficile da isolare successivamente. Naito e Hirota, utilizzando un lungo dataset stratosferico, conclusero che la risposta QBO di novembre-dicembre era relativamente poco influenzata dal ciclo solare, mentre quella di gennaio-febbraio mostrava una modulazione molto più evidente. Lu et al. ricordano inoltre che, estendendo il record osservativo, il rapporto Holton–Tan rimane particolarmente robusto durante l’inizio dell’inverno, mentre in pieno o tardo inverno presenta una forte variabilità decadale.
Le ragioni fisiche di questa stagionalità sono profonde. Nella prima parte dell’inverno il vortice si sta formando e intensificando e l’influenza cumulativa della QBO sulla propagazione delle onde può gradualmente costruire una differenza fra gli stati QBO-W e QBO-E. Nella seconda parte della stagione, invece, la storia dinamica specifica di ogni inverno assume un peso crescente. Gli episodi di forte propagazione ondulatoria, gli SSW, gli spostamenti o split del vortice e i feedback conseguenti modificano profondamente il flusso medio. La circolazione del febbraio di un dato inverno contiene quindi la memoria di ciò che è avvenuto in dicembre e gennaio. A quel punto il legame istantaneo con il vento equatoriale diventa più difficile da separare dalla variabilità interna accumulata.
L’analisi di Camp e Tung del 2007 offre un utile termine di confronto con la Figura 5. Utilizzando 51 anni di rianalisi e una tecnica di analisi discriminante, gli autori individuarono la combinazione QBO occidentale più minimo solarecome uno stato particolarmente poco perturbato e freddo del vortice stratosferico boreale di fine inverno, statisticamente distinto dagli stati maggiormente perturbati. È precisamente la regione dello spazio QBO-solare che nella Figura 5 presenta i valori medi più elevati del vento del vortice, soprattutto in gennaio-febbraio. Le due analisi utilizzano tecniche statistiche differenti, ma convergono sull’idea che la combinazione W/min rappresenti una configurazione particolarmente favorevole a un vortice intenso.
Camp e Tung interpretarono inoltre le altre combinazioni come perturbazioni rispetto a questo stato relativamente indisturbato. Tale impostazione è interessante perché modifica leggermente la domanda scientifica. Invece di chiedersi semplicemente “qual è l’effetto del ciclo solare?” oppure “qual è l’effetto della QBO?”, si può chiedere quali processi perturbino un vortice che, in condizioni W/min, tende statisticamente a rimanere più forte. Questa prospettiva è compatibile con la natura non lineare del sistema: QBO-E, massimo solare ed ENSO possono rappresentare differenti sorgenti di perturbazione del vortice, la cui espressione dipende tuttavia dal contesto dinamico complessivo.
La presenza di ENSO introduce infatti un ulteriore livello di complessità che la Figura 5, per costruzione, non separa. Camp e Tung mostrarono in un altro studio che gli inverni El Niño presentano mediamente una stratosfera polare boreale più calda rispetto agli inverni La Niña, con un segnale di ampiezza comparabile a quello associato alla QBO nella loro analisi. Se la distribuzione di El Niño e La Niña non è perfettamente uniforme tra i quattro quadranti QBO-solari, una parte delle differenze osservate può quindi riflettere anche questa teleconnessione. È precisamente il problema della separazione statistica delle molteplici sorgenti di variabilità che accompagna tutto lo studio dell’effetto Holton–Tan.
La Figura 5 mostra in modo molto efficace perché il numero di anni osservati costituisca un limite fondamentale. Il record utilizzato comprende 54 inverni completi. Una volta diviso in quattro combinazioni QBO-solari, il campione disponibile in ciascun settore diminuisce drasticamente. Se si aggiungesse una terza classificazione ENSO, separando El Niño, neutro e La Niña, il numero di casi per categoria diventerebbe rapidamente insufficiente per ottenere stime robuste. Camp e Tung sottolinearono esplicitamente questo problema: perfino un dataset di quasi mezzo secolo non forniva abbastanza casi per separare statisticamente in modo convincente tutte le combinazioni di QBO, ciclo solare ed ENSO.
Un ulteriore problema statistico è rappresentato dall’autocorrelazione temporale. I pannelli utilizzano dati giornalieri, ma 100 giorni consecutivi dello stesso inverno non corrispondono a 100 realizzazioni atmosferiche indipendenti. Il vortice polare possiede una memoria dinamica significativa: un vortice molto forte oggi ha elevate probabilità di rimanere relativamente forte anche nei giorni immediatamente successivi. Anstey e Shepherd tengono conto di questo aspetto stimando il numero effettivo di campioni indipendenti mediante il tempo di decadimento della funzione di autocorrelazione del NAM a 10 hPa. La dimensione delle frecce nei pannelli (c) e (d) riflette quindi un test nel quale la persistenza della stratosfera viene esplicitamente considerata.
Questo dettaglio metodologico è tutt’altro che secondario. Se ogni giorno venisse trattato ingenuamente come indipendente, la numerosità statistica apparirebbe enorme e le soglie di significatività risulterebbero artificialmente elevate. Al contrario, riconoscere la memoria del vortice riduce drasticamente i gradi di libertà effettivi. Gli autori precisano inoltre che i valori assoluti della significatività dipendono dall’esatta scala temporale di decorrelazione assunta. Per questo le frecce devono essere interpretate soprattutto come una rappresentazione relativa della robustezza dei segnali: la differenza QBO durante minimo solare è nettamente più evidente delle altre, indipendentemente dalle incertezze sul valore esatto della probabilità statistica.
La prudenza statistica trova un precedente importante nel lavoro di Baldwin e Dunkerton del 1989. Gli autori mostrarono che correlazioni apparentemente molto elevate tra attività solare e temperatura polare potevano essere sensibili alla maniera in cui veniva definita la fase della QBO e, soprattutto, alla scelta a posteriori del livello che massimizzava la correlazione. Pur trovando un segnale non facilmente attribuibile al caso, sottolinearono quanto la significatività dipendesse dalle ipotesi adottate e quanto fosse pericoloso ottimizzare la classificazione dopo aver osservato i dati. Questa cautela rimane essenziale nell’interpretazione della Figura 5: la struttura mostrata è fisicamente plausibile e coerente con numerosi studi, ma non deve essere trasformata in una regola deterministica o in una prova definitiva di un particolare meccanismo causale.
Dal punto di vista dinamico, una possibile spiegazione dell’interazione QBO–ciclo solare coinvolge la stratosfera equatoriale e subtropicale superiore. Durante il massimo solare, l’incremento dell’irraggiamento ultravioletto determina modificazioni dell’ozono e del riscaldamento radiativo, producendo anomalie di temperatura e quindi, attraverso il bilancio del vento termico, variazioni dei venti zonali. La QBO possiede contemporaneamente proprie anomalie di vento e temperatura nella stessa regione. La sovrapposizione delle due strutture può modificare il gradiente meridionale del vento e le proprietà di propagazione delle onde planetarie che collegano la troposfera extratropicale alla stratosfera polare.
Gray et al. hanno proposto che proprio l’interazione fra anomalie QBO e solari nella stratosfera equatoriale-superiore e subtropicale possa modificare lo sviluppo e la tempistica degli SSW. Il segnale viene poi amplificato attraverso l’interazione onda–flusso medio e attraverso modificazioni della Brewer–Dobson circulation. La rassegna di Gray et al. considera questo tipo di meccanismo “top-down” uno dei percorsi più maturi attraverso cui variazioni relativamente piccole del forcing solare possono produrre risposte dinamiche molto più ampie nella circolazione stratosferica.
È tuttavia importante notare che il massimo solare non riscalda semplicemente e uniformemente il vortice artico. La risposta radiativa iniziale si verifica soprattutto nella stratosfera tropicale e subtropicale superiore; la risposta polare è largamente dinamica e dipende dalla modifica della propagazione delle onde. Questo spiega perché la fase della QBO possa cambiare il segno o l’ampiezza della relazione osservata. Se la risposta del vortice fosse soltanto un riscaldamento radiativo diretto dovuto alla maggiore attività solare, non ci sarebbe una ragione immediata per aspettarsi comportamenti opposti durante QBO-W e QBO-E.
La Figura 5 suggerisce dunque che l’atmosfera agisca come un sistema dinamico nel quale piccoli cambiamenti della struttura del vento tropicale alterano la risposta delle onde e vengono successivamente amplificati alle alte latitudini. Durante W/min, il sistema sembra statisticamente favorire un vortice poco disturbato. Spostandosi verso QBO-E sotto minimo solare si entra invece nella configurazione caratterizzata dalla più forte diminuzione del vento del vortice. Durante massimo solare, il contrasto tra le due fasi QBO viene compresso, indicando che il background solare modifica l’efficienza della teleconnessione.
Questa interpretazione aiuta anche a comprendere perché gli studi basati su periodi osservativi differenti possano produrre conclusioni apparentemente discordanti. Se un particolare ventennio contiene una proporzione maggiore di inverni QBO-E vicini al minimo solare e QBO-W al massimo, il composito Holton–Tan ottenuto potrebbe apparire molto diverso da quello di un periodo nel quale le combinazioni sono distribuite diversamente. Lu et al. hanno mostrato che la forza dell’effetto QBO sul vortice boreale presenta variazioni decadali considerevoli e ricordano come la relazione sia risultata particolarmente robusta nel periodo originariamente analizzato da Holton e Tan, ma più debole in altri intervalli. La modulazione solare rappresenta una possibile parte della spiegazione, anche se non necessariamente l’unica.
La stessa distinzione fra inizio e fine inverno proposta da Naito e Hirota risulta particolarmente utile. I loro risultati suggeriscono che la QBO svolga un ruolo relativamente diretto e robusto nella prima parte della stagione, mentre durante gennaio-febbraio e successivamente il ciclo solare e l’evoluzione interna del vortice diventano maggiormente rilevanti. La Figura 5 sembra coerente con questa visione: la separazione QBO-solare è molto più chiara nella finestra gennaio-febbraio che in febbraio-marzo, quando il vortice ha ormai accumulato l’effetto di mesi di forcing ondulatorio e può essere stato radicalmente riorganizzato da uno o più episodi dinamici.
In termini di SSW, ciò significa che QBO e ciclo solare devono essere interpretati come condizioni di precondizionamento piuttosto che come inneschi deterministici. Una combinazione QBO-E/minimo solare può rendere mediamente il vortice più debole e quindi più suscettibile a un forte episodio ondulatorio, ma il verificarsi effettivo di un SSW dipende dalla sequenza delle onde troposferiche. Analogamente, la combinazione QBO-W/minimo solare può favorire il vortice statisticamente più forte senza impedirne il collasso se il forcing planetario diventa sufficientemente intenso. Gray et al. sottolineano infatti che gli SSW non sono esclusivi della QBO orientale e che, quando si verificano in QBO-W, la loro distribuzione appare a sua volta condizionata dalla fase solare.
Un altro aspetto molto interessante è che la Figura 5 può essere letta sia come una modulazione solare dell’effetto QBO, sia come una modulazione QBO della risposta solare. Le due interpretazioni sono matematicamente equivalenti nella rappresentazione a quattro quadranti. Se si parte dalla QBO, il massimo solare riduce fortemente la differenza W–E. Se si parte dal ciclo solare, la risposta passando da minimo a massimo cambia segno fra QBO-W e QBO-E. Questa ambiguità concettuale è importante perché impedisce di assegnare causalità basandosi soltanto sulla statistica. Per comprendere quale processo inizi la catena dinamica servono diagnostiche dell’attività ondulatoria, esperimenti modellistici e analisi della sequenza temporale delle anomalie.
La rassegna di Gray et al. offre proprio questa distinzione fra evidenza statistica e interpretazione fisica. La relazione QBO–solare con la stratosfera polare è uno dei segnali solari-climatici più persistenti nella letteratura osservativa, ma i dettagli del meccanismo, soprattutto il modo in cui la combinazione modifica gli SSW e la circolazione della bassa stratosfera, rimangono più incerti della correlazione stessa. Questo principio è perfettamente rappresentato dalla Figura 5: il pattern statistico è suggestivo e coerente, ma la grande dispersione dei singoli stati del vortice ricorda continuamente che il sistema non obbedisce a una semplice funzione di due variabili.
La figura possiede quindi un significato più generale per la comprensione della prevedibilità stagionale. QBO e ciclo solare sono entrambi molto più prevedibili con mesi di anticipo rispetto alla variabilità meteorologica troposferica. In linea teorica, conoscere contemporaneamente la fase della QBO e lo stato del ciclo solare dovrebbe fornire informazioni aggiuntive sulla distribuzione di probabilità della forza del vortice. Tuttavia, l’utilità previsionale dipende dalla capacità dei modelli di rappresentare correttamente le interazioni non lineari fra QBO, radiazione solare, ozono, Brewer–Dobson circulation e onde planetarie. Una correlazione osservativa non garantisce automaticamente skill previsionale se il modello non contiene il meccanismo dinamico che la produce.
In definitiva, la Figura 5 mostra che la variabilità del vortice polare boreale non può essere compresa considerando la QBO come una forzante isolata. In gennaio-febbraio il segnale Holton–Tan è eccezionalmente marcato durante minimo solare: il vortice passa da circa 34,7 m/s nella combinazione QBO-W/min a 21,3 m/s in QBO-E/min. Durante massimo solare la differenza si riduce notevolmente, da circa 29,0 a 25,3 m/s. In febbraio-marzo l’intera struttura perde forza e la risposta diventa molto meno robusta, con una lieve inversione della differenza W–E sotto massimo solare che, tuttavia, non possiede la stessa significatività del segnale di gennaio-febbraio.
Il valore scientifico della figura risiede proprio in questa combinazione di chiarezza e cautela. Essa conferma che il classico effetto Holton–Tan emerge con particolare forza in determinati stati del ciclo solare, mostra che il massimo solare può ridurne drasticamente l’ampiezza, evidenzia la perdita di robustezza verso la fine dell’inverno e rende visibile l’enorme variabilità interna del vortice all’interno di ogni categoria. La conclusione più importante non è quindi che una particolare combinazione QBO-solare determini inevitabilmente un vortice forte o debole, ma che lo stato della stratosfera tropicale e quello della forzante solare modificano congiuntamente il contesto dinamico entro il quale le onde planetarie costruiscono l’evoluzione del vortice polare. È precisamente questa dipendenza dallo stato di fondo, accompagnata da feedback onda–flusso medio e da una forte memoria stratosferica, a rendere la Figura 5 una dimostrazione particolarmente efficace della natura probabilistica, interattiva e non lineare dell’influenza della QBO sulle alte latitudini.
2.2. Emisfero Australe
Sebbene la relazione tra Quasi-Biennial Oscillation (QBO) e circolazione extratropicale sia stata storicamente studiata soprattutto nell’Emisfero Settentrionale, le osservazioni e le simulazioni numeriche mostrano chiaramente che l’influenza della QBO si estende anche alle medie e alte latitudini dell’Emisfero Australe. In questo caso, tuttavia, il segnale assume caratteristiche sensibilmente differenti, sia per intensità sia per evoluzione stagionale, a causa della diversa struttura climatologica della circolazione stratosferica australe. Il vortice polare antartico è mediamente più intenso, più freddo, più persistente e maggiormente simmetrico rispetto a quello artico. Questa caratteristica è strettamente collegata alla minore ampiezza delle onde planetarie stazionarie generate nella troposfera australe, conseguenza della distribuzione più zonalmente simmetrica di continenti, oceani e grandi catene montuose. Ne deriva un flusso di attività ondulatoria verso la stratosfera generalmente inferiore a quello caratteristico dell’Emisfero Settentrionale, condizione che rende il vortice antartico particolarmente stabile durante il cuore dell’inverno. Rao et al. (2023), utilizzando tre moderne reanalisi e 25 modelli CMIP5/CMIP6 capaci di rappresentare la QBO, hanno confermato che questa debole attività ondulatoria costituisce una delle ragioni fondamentali per cui il segnale extratropicale della QBO nell’Emisfero Australe tende a emergere soprattutto durante la primavera, quando il vortice polare inizia naturalmente a indebolirsi.
Questa fondamentale differenza dinamica aiuta anche a comprendere l’estrema rarità dei riscaldamenti stratosferici improvvisi maggiori nell’Emisfero Australe. L’episodio del settembre 2002 rimane, secondo la definizione dinamica comunemente utilizzata basata sull’inversione del vento zonale medio a 60°S e 10 hPa, l’unico major Sudden Stratospheric Warming osservato nell’Emisfero Australe dall’inizio delle osservazioni regolari dell’alta atmosfera. Il forte riscaldamento del 2019 viene invece generalmente classificato come evento minore, poiché non produsse la necessaria inversione dei venti occidentali a 60°S e 10 hPa. L’eccezionalità del 2002 illustra efficacemente quanto la dinamica antartica differisca da quella artica: in quell’anno una successione di episodi di intensa propagazione delle onde planetarie culminò nella spettacolare scissione del vortice polare e in un marcato riscaldamento della stratosfera. Studi recentissimi continuano a indicare il 2002 come il solo major SSW australe osservato e hanno mostrato che, oltre alla propagazione di onde planetarie dalla troposfera, anche processi di instabilità e generazione in situ dell’onda planetaria di numero d’onda zonale 2 contribuirono alla frammentazione del vortice.
È proprio sullo sfondo di questa elevata stabilità dinamica che deve essere interpretato il segnale extratropicale della QBO australe. Il meccanismo concettuale fondamentale rimane collegato alla capacità della QBO tropicale di modificare la struttura dei venti zonali stratosferici e, di conseguenza, le condizioni di propagazione delle onde di Rossby dalle medie latitudini verso la stratosfera tropicale e polare. Questa interpretazione deriva dal classico paradigma di Holton e Tan, secondo cui le fasi orientale e occidentale della QBO modificano il waveguide stratosferico, alterando il percorso, la rifrazione e la dissipazione delle onde planetarie. L’effetto non consiste quindi semplicemente nella propagazione diretta dei venti della QBO dall’Equatore ai poli: la QBO modifica piuttosto l’ambiente dinamico attraverso il quale le onde planetarie trasportano quantità di moto e calore, producendo una risposta secondaria della circolazione extratropicale. La grande sintesi di Baldwin et al. (2001) ha mostrato come questo accoppiamento onde–flusso medio rappresenti uno dei principali meccanismi attraverso cui un’oscillazione originata nella stratosfera tropicale può produrre effetti a scala emisferica.
Le prime evidenze osservative di una possibile influenza della QBO nell’Emisfero Australe emersero già dagli studi successivi a Holton e Tan. Utilizzando osservazioni distribuite approssimativamente lungo il meridiano di 145°E, fu identificata durante la primavera australe una tendenza verso venti occidentali extratropicali più intensi durante la fase occidentale della QBO. Sebbene la significatività statistica dei primi risultati fosse relativamente modesta, tali studi suggerirono che la connessione tropicale–extratropicale non fosse esclusiva dell’Emisfero Settentrionale. Parallelamente, Garcia e Solomon e successivamente Newman e Randel individuarono una variabilità quasi biennale nelle caratteristiche della stratosfera polare australe e dell’ozono, mettendola in relazione con variazioni dell’attività delle onde planetarie. La possibile modulazione della temperatura e della subsidenza dell’aria all’interno del vortice acquisì particolare importanza nel contesto della chimica dell’ozono antartico, perché piccole variazioni della temperatura stratosferica possono influenzare notevolmente la formazione delle nubi stratosferiche polari e quindi l’attivazione del cloro responsabile della distruzione catalitica dell’ozono.
Un passaggio decisivo nella comprensione della teleconnessione australe fu rappresentato dal lavoro di Baldwin e Dunkerton (1998). Analizzando i dati NCEP relativi al periodo 1978–1996, gli autori mostrarono che il vortice polare antartico presenta effettivamente una modulazione associata alla QBO, ma che la sua struttura stagionale è profondamente diversa da quella riscontrata nell’Emisfero Settentrionale. Per descrivere lo stato della QBO venne utilizzato un angolo di fase ricavato dalle prime due funzioni ortogonali empiriche dei profili verticali del vento zonale tropicale. Questo approccio consentiva di rappresentare non soltanto il segno del vento a un determinato livello, ma la struttura verticale complessiva dell’oscillazione. Ne risultò che il segnale extratropicale dell’Emisfero Settentrionale era massimizzato utilizzando una fase della QBO approssimativamente corrispondente ai venti equatoriali intorno a 40 hPa, mentre nell’Emisfero Australe la relazione risultava ottimizzata facendo riferimento a livelli più elevati, intorno a 25 hPa. Baldwin e Dunkerton mostrarono inoltre che, durante la fase occidentale, la stratosfera polare australe tendeva a essere leggermente più fredda e che il riscaldamento finale del vortice avveniva mediamente più tardi. Durante il periodo maggio–ottobre le anomalie del vento rimanevano prevalentemente confinate alle medie latitudini e al margine del vortice; soltanto in novembre, quando il vortice climatologico era ormai sufficientemente indebolito, il segnale raggiungeva in modo evidente le alte latitudini. La differenza tra i compositi QBO occidentale e orientale del vento zonale medio durante novembre poteva superare 14 m s⁻¹.
Questa evoluzione costituisce una delle più importanti differenze interemisferiche del cosiddetto effetto Holton–Tan. Nell’Emisfero Settentrionale il segnale della QBO può manifestarsi alle alte latitudini già durante la prima parte dell’inverno boreale, quando il vortice artico è fortemente influenzato dall’attività delle onde planetarie. Nell’Emisfero Australe, invece, il vortice invernale è talmente intenso che la modulazione associata alla QBO rimane inizialmente confinata soprattutto alle medie latitudini. Soltanto verso la tarda primavera, quando il riscaldamento radiativo stagionale riduce progressivamente i forti venti occidentali del vortice antartico, l’interazione tra QBO, propagazione delle onde e circolazione residua riesce a produrre una risposta più marcata alle alte latitudini. Questa interpretazione è stata successivamente confermata sia da osservazioni sia da modelli atmosferici: la fase orientale della QBO intorno a 20–25 hPa tende a essere associata a un indebolimento più rapido del vortice durante la primavera australe e quindi, statisticamente, a un final warming più precoce, mentre la fase occidentale favorisce una maggiore persistenza dei venti occidentali e un breakup più tardivo.
Le analisi di Naito (2002) hanno fornito un’importante base dinamica per questa interpretazione. Attraverso compositi del vento zonale medio e del flusso di Eliassen–Palm, Naito mostrò che la decelerazione del getto della notte polare nella bassa stratosfera durante settembre e ottobre risulta mediamente più rapida durante la QBO orientale rispetto alla QBO occidentale. Tale comportamento è associato a una maggiore convergenza del flusso di Eliassen–Palm e a un più intenso trasporto verticale di attività ondulatoria dalla troposfera alla stratosfera durante la fase orientale. La differenza nel flusso verticale risultava dominata soprattutto dalle onde con numero d’onda zonale compreso tra 1 e 3, cioè dalle grandi onde planetarie, mentre le differenze nel trasporto equatorward erano maggiormente associate ai numeri d’onda 4–6, rappresentativi di scale più piccole. Questo risultato è particolarmente significativo perché mostra come la risposta della stratosfera australe alla QBO non possa essere ridotta a un semplice spostamento della traiettoria di una singola classe di onde. La QBO sembra invece modificare simultaneamente l’attività di differenti componenti dello spettro ondulatorio e il loro accoppiamento con il flusso zonale medio.
Hitchman e Huesmann (2009) estesero ulteriormente questa prospettiva analizzando l’influenza stagionale della QBO sui jet stratosferici e sulla rottura delle onde di Rossby. Il loro lavoro evidenziò come autunno e primavera presentino alcune caratteristiche relativamente simmetriche tra i due emisferi, mentre la risposta di pieno inverno risulta molto più pronunciata nell’Emisfero Settentrionale. Questa asimmetria rafforza l’idea che il background dinamico stagionale costituisca un elemento determinante nella teleconnessione QBO–vortice. Gli autori analizzarono inoltre la frequenza e l’intensità delle inversioni del gradiente meridionale della vorticità potenziale, utilizzandole come diagnostica della rottura delle onde di Rossby. La QBO può quindi essere interpretata come un modulatore del luogo e dell’intensità con cui le onde depositano momento nella stratosfera, modificando indirettamente la posizione dei jet, la circolazione meridionale residua e l’evoluzione del vortice polare.
La differenza tra le risposte emisferiche non implica tuttavia che l’influenza australe della QBO sia debole in senso assoluto. Piuttosto, essa presenta una struttura verticale e stagionale differente. Osservazioni effettuate nella mesosfera antartica hanno mostrato che l’influenza della QBO può estendersi fino ad altitudini superiori a 80 km. Ford et al. (2009), utilizzando misure dei venti sopra Halley, in Antartide, individuarono un collegamento tra la fase della QBO equatoriale e i venti zonali mesosferici delle alte latitudini. Durante la primavera il segnale risultava maggiormente correlato con la QBO intorno a 25 hPa e i venti di novembre erano significativamente più occidentali durante determinate configurazioni della QBO, coerentemente con l’estensione verticale della risposta osservata nella sottostante stratosfera. Questo risultato dimostra che la QBO è inserita in una rete di interazioni dinamiche che può coinvolgere una parte molto ampia dell’atmosfera media, dalla stratosfera tropicale fino alla mesosfera polare.
Particolarmente importante nell’Emisfero Australe è inoltre l’interazione tra QBO e ozono antartico. Storicamente questo legame era interpretato soprattutto attraverso la modulazione dinamica delle temperature polari e della subsidenza: una variazione della circolazione indotta dalla QBO poteva modificare la temperatura del vortice, la formazione delle nubi stratosferiche polari e quindi l’efficienza della chimica eterogenea responsabile dell’attivazione del cloro. Tuttavia, studi successivi hanno mostrato che esiste anche un importante meccanismo di trasporto chimico. Strahan et al. (2015), analizzando circa un decennio di osservazioni del Microwave Limb Sounder a bordo del satellite Aura, identificarono marcate differenze nella distribuzione del protossido di azoto in funzione della fase della QBO. Le anomalie generate nella media stratosfera subtropicale vengono progressivamente trasportate verso le medie latitudini e, dopo la dissoluzione primaverile del vortice, possono raggiungere la regione antartica. Con la formazione del nuovo vortice nell’autunno successivo, tali anomalie rimangono isolate e discendono fino alla bassa stratosfera antartica. Questo percorso richiede dell’ordine di un anno e consente alla QBO di modulare anche la quantità di cloro inorganico disponibile all’interno del vortice, introducendo quindi un collegamento tra la dinamica tropicale della QBO e l’intensità della distruzione dell’ozono antartico che non dipende esclusivamente dalle anomalie termiche contemporanee.
Questa distinzione è essenziale. Durante il pieno inverno antartico, quando il vortice è eccezionalmente forte, l’effetto dinamico immediato della QBO sulla temperatura polare può essere relativamente piccolo. Strahan et al. trovarono, ad esempio, differenze termiche di settembre nella bassa stratosfera antartica inferiori a circa 0,3 K tra compositi delle differenti fasi QBO e statisticamente non significative. Ciò suggerisce che durante il periodo cruciale per la formazione del buco dell’ozono la teleconnessione dinamica classica di tipo Holton–Tan non costituisca necessariamente l’unico, né sempre il principale, meccanismo attraverso cui la QBO può influenzare l’ozono. Il trasporto a lungo termine dei costituenti chimici e la modulazione della concentrazione di cloro all’interno del vortice rappresentano quindi una componente complementare particolarmente importante.
Gli studi basati sui moderni modelli climatici hanno fornito un’ulteriore verifica della robustezza di questi processi, evidenziandone nello stesso tempo la complessità. Rao et al. (2023) hanno esaminato 25 modelli CMIP5 e CMIP6 capaci di rappresentare la QBO e li hanno confrontati con ERA-Interim, ERA5 e JRA-55. Nelle reanalisi, la risposta più evidente è costituita da un indebolimento del vortice stratosferico antartico durante la primavera australe in associazione alla QBO orientale definita a 20 hPa. Soltanto sette dei 25 modelli analizzati riproducono qualitativamente in maniera soddisfacente questo comportamento. In questi modelli la QBO orientale è accompagnata da una maggiore propagazione verticale delle onde dalla troposfera delle medie latitudini e da una maggiore convergenza del flusso di Eliassen–Palm nella stratosfera, in accordo con il meccanismo evidenziato dagli studi osservativi precedenti. Il fatto che soltanto una parte dei modelli riesca a rappresentare correttamente questa risposta mostra quanto la simulazione delle teleconnessioni della QBO dipenda dalla capacità del modello di riprodurre realisticamente non soltanto la QBO tropicale, ma anche il vortice polare, le onde planetarie, la circolazione di Brewer–Dobson e le loro interazioni.
Lo stesso studio mostra inoltre che il segnale della QBO può estendersi verso la troposfera australe attraverso almeno due percorsi differenti. Il primo è il percorso stratosferico, nel quale la QBO modifica il vortice polare e la risposta si propaga successivamente verso il basso assumendo caratteristiche simili a quelle della Southern Annular Mode. Il secondo coinvolge invece la modulazione della convezione tropicale, soprattutto nel settore Indo-Pacifico, capace a sua volta di generare treni di onde di Rossby diretti verso le extratropiche. Nelle reanalisi, durante la QBO orientale a 20 hPa e in associazione alla risposta del vortice primaverile, emergono anomalie atmosferiche che proiettano parzialmente sulla fase negativa della SAM, con pressioni relativamente più elevate sull’Antartide e anomalie opposte alle medie latitudini. Tuttavia la risposta superficiale è debole e notevolmente variabile da modello a modello, per cui non deve essere interpretata come una relazione deterministica. Rao et al. mostrano infatti che i modelli capaci di riprodurre meglio la risposta del vortice polare tendono anche a rappresentare più realisticamente il segnale troposferico, sebbene l’ampiezza sia generalmente sottostimata.
La ricerca più recente continua a mettere in evidenza l’importanza dell’interazione tra lo stato della QBO e la circolazione delle medie latitudini. Wang et al. (2025), analizzando il vortice stratosferico antartico e l’ozono, hanno mostrato che durante la fase occidentale della QBO la presenza in luglio di anomalie positive del vento zonale nella stratosfera superiore tra circa 20°S e 40°S può precedere un vortice antartico più intenso e concentrazioni di ozono inferiori durante novembre. Gli autori interpretano questa relazione attraverso una circolazione secondaria capace di modificare le condizioni per la propagazione delle onde e quindi il bilancio di quantità di moto del vortice. Il risultato sottolinea un principio fondamentale: la QBO non opera isolatamente, ma modifica la sensibilità della stratosfera australe ad altri elementi della circolazione atmosferica. Per questo la fase della QBO da sola non è sufficiente a determinare lo stato successivo del vortice; il risultato dipende dall’interazione tra struttura verticale della QBO, venti extratropicali, attività ondulatoria, convezione tropicale e stato stagionale della stratosfera.
Nel complesso, la risposta dell’Emisfero Australe alla QBO appare quindi come un fenomeno intrinsecamente tridimensionale e dipendente dalla stagione. Il segnale nasce dalla modificazione tropicale dei venti stratosferici, ma viene trasmesso verso le extratropiche prevalentemente attraverso l’interazione tra onde e flusso medio. Durante il cuore dell’inverno australe il vortice antartico è generalmente troppo intenso e dinamicamente isolato perché questa modulazione possa produrre una forte risposta polare immediata; per questo le anomalie tendono inizialmente a concentrarsi alle medie latitudini e lungo il bordo equatoriale del vortice. Avvicinandosi alla primavera, il progressivo indebolimento radiativo dei venti occidentali rende invece il vortice più sensibile alla convergenza del flusso di Eliassen–Palm e alla deposizione di momento associata alle onde planetarie. La fase orientale della QBO intorno a 20–25 hPa tende allora a favorire una maggiore attività ondulatoria e un più rapido indebolimento del vortice, mentre la fase occidentale è statisticamente associata a una maggiore persistenza della circolazione occidentale e a un riscaldamento finale più tardivo. Questa dipendenza da livelli più elevati rispetto all’Emisfero Settentrionale costituisce una delle caratteristiche più robuste della teleconnessione australe.
L’insieme delle evidenze accumulate dagli studi pionieristici di Holton e Tan fino alle moderne reanalisi e alle simulazioni CMIP6 modifica pertanto la visione della QBO da semplice oscillazione tropicale a componente integrata della variabilità atmosferica globale. Nell’Emisfero Australe la sua influenza è meno appariscente durante l’inverno rispetto all’Emisfero Settentrionale, ma diventa particolarmente significativa durante la transizione stagionale verso la primavera e il breakup del vortice antartico. Attraverso la modificazione dei waveguide stratosferici, della propagazione e rottura delle onde di Rossby, della circolazione di Brewer–Dobson, del trasporto dei costituenti chimici e potenzialmente dell’accoppiamento stratosfera–troposfera, la QBO contribuisce alla variabilità interannuale della stratosfera australe e dell’ozono antartico. Al tempo stesso, la grande dispersione riscontrata tra i modelli climatici e la sensibilità della risposta allo stato della circolazione extratropicale ricordano che la QBO non deve essere considerata come un forcing indipendente capace di determinare univocamente l’evoluzione del vortice. Essa rappresenta piuttosto un importante modulatore dello stato atmosferico, capace di alterare la probabilità e l’intensità con cui le onde planetarie interagiscono con il vortice polare. È precisamente questa natura modulante, dipendente dalla struttura verticale della QBO e dal background stagionale della circolazione, a rendere la teleconnessione dell’Emisfero Australe uno degli aspetti più complessi e scientificamente interessanti dell’influenza globale della Quasi-Biennial Oscillation.
2.3. Fase della QBO
La definizione della fase della Quasi-Biennial Oscillation costituisce uno degli aspetti metodologicamente più importanti nello studio delle teleconnessioni tra la stratosfera tropicale e la circolazione extratropicale. Nella maggior parte delle analisi osservative la QBO viene classificata come occidentale o orientale sulla base del segno del vento zonale medio equatoriale a uno specifico livello di pressione. Questa procedura consente di costruire compositi e di quantificare con relativa semplicità la risposta extratropicale, ma rappresenta inevitabilmente una forte riduzione della complessa struttura verticale dell’oscillazione. La QBO è infatti costituita da regimi alternati di venti orientali e occidentali che si sviluppano nella stratosfera tropicale e propagano progressivamente verso il basso, con zone di shear la cui posizione, intensità e velocità di discesa cambiano da un ciclo all’altro. Di conseguenza, due inverni caratterizzati dallo stesso segno del vento a 50 hPa possono presentare strutture del vento molto differenti nella media e alta stratosfera e non devono necessariamente produrre la medesima risposta extratropicale.
Baldwin e Dunkerton (1998) affrontarono questo problema rappresentando lo stato della QBO mediante un angolo di fase ottenuto dalle prime due funzioni ortogonali empiriche dei profili verticali del vento tropicale. Cercando i valori di tale angolo che massimizzavano la risposta extratropicale, mostrarono che per l’Emisfero Settentrionale la configurazione ottimale era approssimativamente equivalente a quella ottenuta utilizzando il vento equatoriale intorno a 40 hPa, mentre nell’Emisfero Australe corrispondeva approssimativamente al vento intorno a 25 hPa. Questi livelli non devono tuttavia essere interpretati come quote privilegiate dalle quali avrebbe origine causalmente la teleconnessione. Essi rappresentano piuttosto indici statistici particolarmente efficaci della configurazione verticale della QBO associata alla risposta osservata nei due emisferi. La stessa letteratura successiva sottolinea che la ragione per cui livelli differenti massimizzino la risposta nei due emisferi non è completamente compresa e potrebbe riflettere le marcate differenze stagionali e dinamiche tra il vortice artico e quello antartico, oltre alla differente attività delle onde planetarie.
L’importanza della struttura verticale della QBO fu resa particolarmente evidente dagli studi che estesero le osservazioni al di sopra della regione normalmente campionata dalle radiosonde. Gray et al. (2001b), utilizzando dati da rocketsonde relativi al periodo 1964–1990 e fino a circa 58 km di quota, mostrarono che la temperatura polare boreale a 30 hPa durante gennaio–febbraio risultava fortemente correlata con alcuni aspetti dei venti equatoriali prossimi alla stratopausa nei mesi precedenti. In particolare, il shear verticale anomalo del vento zonale equatoriale intorno a 50 km nel mese di settembre presentava una correlazione pari a circa −0,68 con la successiva temperatura polare media di gennaio–febbraio, corrispondente a circa il 46% della varianza spiegata. Nello stesso studio, il vento equatoriale di dicembre intorno a 24 km spiegava una frazione molto inferiore della varianza. Questi risultati non dimostrano che la stratopausa controlli direttamente il vortice polare, ma indicano chiaramente che limitarsi alla bassa stratosfera può perdere informazioni rilevanti sulla struttura verticale della QBO.
L’enfasi storica sui livelli della bassa e media stratosfera è stata influenzata anche dalla disponibilità osservativa. Le serie radiosondistiche tropicali forniscono registrazioni lunghe e relativamente omogenee, ma raggiungono tipicamente solo la parte inferiore della stratosfera superiore, fino a circa 30 km nelle condizioni più favorevoli. Di conseguenza, molti degli indici tradizionali della QBO sono stati definiti a 70, 50, 40, 30 oppure 20 hPa. Con l’avvento delle rianalisi globali e delle osservazioni satellitari è stato possibile esaminare l’oscillazione lungo una porzione molto più ampia della colonna atmosferica.
Pascoe et al. (2005), analizzando ERA-40, mostrarono che la firma della QBO nel vento zonale equatoriale si estende lungo gran parte della stratosfera e presenta una struttura verticale a tre anomalie alternate. Nelle differenze tra compositi occidentali e orientali si osserva un massimo positivo di circa 30 m s⁻¹ intorno a 23 km, un’anomalia negativa di circa 25 m s⁻¹ intorno a 35 km e una seconda anomalia positiva, più debole, di circa 10 m s⁻¹ intorno a 48 km. Quest’ultima non costituisce una “terza cella” indipendente nel senso di una circolazione separata, ma è l’espressione della lenta propagazione discendente delle fasi della QBO: mentre una nuova anomalia compare nella stratosfera superiore, un’anomalia dello stesso segno appartenente al ciclo precedente può persistere più in basso, con una regione di segno opposto interposta tra le due.
ERA-40 mostra inoltre una forte variabilità da ciclo a ciclo. Pascoe et al. stimarono un periodo medio di circa 28,4 mesi, con una deviazione standard dell’ordine di quattro mesi. La discesa delle fasi orientali e occidentali non è perfettamente simmetrica e può subire accelerazioni, rallentamenti o temporanee stasi. Questo comportamento è particolarmente importante per le teleconnessioni extratropicali, perché determina quale parte della struttura verticale della QBO si trovi a una determinata quota durante i mesi cruciali dell’inverno boreale o australe.
Nella stratosfera superiore, tuttavia, il segnale della QBO diventa progressivamente più debole rispetto a quello della bassa e media stratosfera e la variabilità del vento è fortemente influenzata dall’oscillazione semiannuale. Per questo motivo non è corretto dedurre dalla presenza di una correlazione elevata tra venti prossimi alla stratopausa e vortice polare che il meccanismo dominante debba necessariamente operare a quelle quote. Una correlazione può emergere perché una determinata configurazione della stratosfera superiore è statisticamente associata alla struttura verticale complessiva della QBO presente più in basso.
Il problema centrale consiste pertanto nel comprendere quale caratteristica della QBO modifichi più efficacemente la propagazione delle onde planetarie e il flusso zonale extratropicale. Nel meccanismo classico proposto da Holton e Tan, l’anomalia del vento tropicale associata alla QBO modifica la posizione latitudinale delle regioni nelle quali il vento zonale medio tende a zero e, più in generale, l’indice di rifrazione delle onde planetarie. In questo modo varia il percorso seguito dalle onde di Rossby che si propagano dalla troposfera verso la stratosfera. Le differenze nel trasporto ondulatorio di quantità di moto modificano quindi la convergenza del flusso di Eliassen–Palm e, attraverso l’interazione onde–flusso medio, influenzano l’intensità del vortice polare.
È però importante non ridurre l’effetto Holton–Tan al semplice spostamento di una singola linea di vento nullo. Già Kodera (1991) e successivamente numerosi studi modellistici hanno mostrato che la circolazione meridionale secondaria indotta dalla QBO può modificare i venti subtropicali ed extratropicali su una regione molto più ampia. Tale circolazione è stagionalmente asimmetrica rispetto all’Equatore ed è generalmente più intensa nell’emisfero invernale. Modificando il vento zonale alle basse e medie latitudini, essa altera a sua volta le condizioni di rifrazione e propagazione delle onde planetarie. Pertanto, lo spostamento delle superfici critiche, la variazione dell’indice di rifrazione e la circolazione meridionale QBO-indotta devono essere considerati come processi dinamicamente interconnessi e non necessariamente come meccanismi alternativi.
La sensibilità della risposta extratropicale alla struttura verticale della QBO è stata confermata anche dagli esperimenti modellistici. Modelli meccanicistici nei quali venivano imposti strati tropicali molto profondi di venti orientali o occidentali tendevano a produrre forti variazioni del vortice, ma tali configurazioni erano spesso molto più semplici rispetto alla QBO reale. Studi successivi che hanno utilizzato strutture verticali più realistiche hanno mostrato che la risposta del vortice dipende dai venti tropicali lungo una porzione significativa della profondità stratosferica. Anstey e Shepherd (2008), ad esempio, evidenziarono che il momento stagionale delle transizioni della QBO a 30 hPa può essere utilizzato come proxy della struttura verticale dell’oscillazione lungo gran parte della stratosfera tropicale.
Questo risultato è importante perché chiarisce perché la stessa classificazione QBO-E o QBO-W a un singolo livello possa avere efficacia differente durante periodi diversi. Anstey e Shepherd mostrarono che la relazione tra la QBO e il vortice boreale di inizio inverno e quella di fine inverno risultavano massimizzate per differenti intervalli temporali delle transizioni di fase a 30 hPa. In particolare, l’effetto di inizio inverno risultava più evidente quando le transizioni a 30 hPa si erano verificate circa 9–14 mesi prima del gennaio dell’inverno considerato, mentre quello di fine inverno era maggiormente associato a transizioni avvenute circa 4–9 mesi prima. Il significato fisico di questo risultato non consiste nel fatto che 30 hPa rappresenti un livello causale privilegiato, ma nel fatto che il momento della transizione a quella quota contiene informazioni sulla configurazione verticale dell’intera QBO.
La fase della QBO deve inoltre essere considerata rispetto al ciclo annuale. Il periodo medio di circa 28 mesi non è commensurabile con l’anno solare e ciò produce un progressivo cambiamento dell’allineamento tra fase della QBO e stagione. In un’idealizzazione con periodo esattamente pari a 28 mesi, una configurazione equivalente rispetto al calendario si ripeterebbe dopo sette anni. La QBO reale, tuttavia, non ha un periodo costante, per cui il battimento con il ciclo annuale è irregolare. A questo si aggiunge una debole ma osservabile preferenza stagionale delle transizioni di fase, già evidenziata da Dunkerton (1990) e successivamente studiata attraverso modelli e osservazioni.
Il concetto di sincronizzazione stagionale deve essere formulato con cautela. Non significa che la QBO sia rigidamente sincronizzata con il ciclo annuale, ma che le transizioni di fase mostrano una distribuzione stagionale non uniforme. In determinati periodi pluriennali le transizioni possono concentrarsi maggiormente in alcuni mesi, mentre in altri periodi l’allineamento della QBO rispetto alle stagioni deriva più rapidamente. Questa irregolarità produce una modulazione su scale pluriennali e quasi-decennali della configurazione verticale della QBO presente durante l’inverno.
Hampson e Haynes (2006), mediante un modello dinamico, mostrarono che l’influenza della QBO sulla stratosfera extratropicale dipende in modo importante dall’allineamento della struttura tropicale rispetto al ciclo stagionale. Il riferimento corretto è quindi Hampson e Haynes (2006), non 2004. I loro risultati contribuirono a consolidare l’idea che la risposta del vortice non sia determinata soltanto dal segno della QBO a un dato livello, ma dal modo in cui la sua struttura verticale evolve rispetto alla circolazione stagionale extratropicale.
Questo meccanismo fornisce anche una possibile interpretazione della variabilità quasi-decennale dell’effetto Holton–Tan. La QBO non possiede necessariamente un’oscillazione dinamica autonoma con periodo decennale. Una modulazione apparente su tali scale temporali può emergere dal battimento irregolare tra la QBO e il ciclo annuale e dalla variazione temporale della stagionalità delle transizioni di fase. Poiché il vortice polare è fortemente stagionale, cambiamenti relativamente piccoli nel momento in cui una determinata configurazione verticale della QBO si presenta durante l’inverno possono modificare sensibilmente la risposta osservata.
Anstey e Shepherd (2008) proposero proprio questo meccanismo per interpretare l’apparente variazione su scala decennale dell’effetto Holton–Tan nell’Emisfero Settentrionale. Utilizzando ERA-40 per il periodo 1958–2001, mostrarono che la distribuzione stagionale delle transizioni a 30 hPa cambiava nel corso del record e che il periodo 1977–1997 era caratterizzato da una configurazione delle transizioni coerente con una risposta relativamente debole del vortice durante la parte finale dell’inverno, pur mantenendo una risposta più evidente all’inizio della stagione. Gli autori interpretarono quindi almeno una parte della variabilità temporale dell’effetto Holton–Tan come possibile conseguenza della variabilità interna dell’allineamento QBO–ciclo annuale. Sottolinearono tuttavia che il meccanismo responsabile del clustering stagionale delle transizioni non era completamente noto e che un’influenza di forcing esterni non poteva essere esclusa.
Christiansen (2010) affrontò la questione da una prospettiva statistica differente, analizzando la distribuzione del vortice stratosferico boreale e della QBO durante l’inverno esteso, da ottobre a marzo. Il vortice veniva rappresentato attraverso la principale componente associata alla prima EOF dell’altezza geopotenziale a nord di 20°N, mentre la QBO era descritta dal vento zonale equatoriale a 50 hPa. Lo studio mostrò che il vento equatoriale invernale presenta una marcata bimodalità in una porzione ampia della stratosfera, approssimativamente tra 70 e 8 hPa, mentre al di sopra di circa 8 hPa tale bimodalità diminuisce, coerentemente con il crescente ruolo dell’oscillazione semiannuale.
Christiansen osservò inoltre una corrispondenza tra alcune caratteristiche della distribuzione statistica della QBO e quelle del vortice. Tuttavia, questo risultato non deve essere interpretato come una dimostrazione che la QBO sia l’unica causa della bimodalità del vortice. Lo studio mostrava piuttosto che la quasi-periodicità della QBO e il campionamento stagionale possono contribuire significativamente alla struttura statistica osservata e alla sua variazione tra differenti sotto-periodi del record.
Anche il possibile ruolo del ciclo solare nella modulazione della relazione QBO–vortice richiede particolare cautela. Alcuni studi hanno trovato che la relazione tra fase della QBO e vortice polare cambia quando il campione viene suddiviso in funzione dell’attività solare e che il risultato può dipendere fortemente dal livello utilizzato per definire la QBO. Tuttavia, le serie osservazionali disponibili contengono soltanto un numero limitato di cicli solari completi e la sensibilità alla definizione dell’indice QBO riduce la robustezza di conclusioni causali forti. Il fatto che una relazione emerga utilizzando 50 hPa ma non 30 hPa non dimostra da solo l’esistenza di un meccanismo fisico specifico al primo livello. Per questa ragione Dunkerton et al. avevano già sottolineato che l’utilizzo di un indice a 50 hPa dovrebbe essere giustificato fisicamente o a priori, piuttosto che selezionato esclusivamente perché produce la correlazione più elevata.
Un punto concettuale fondamentale è quindi che “fase della QBO” può assumere significati differenti. La definizione binaria QBO-E/QBO-W a una determinata pressione è utile per gli studi compositi, ma non descrive completamente lo stato dinamico della stratosfera tropicale. Metodi basati su più livelli, funzioni ortogonali empiriche o angoli di fase possono fornire una rappresentazione più continua dell’oscillazione e conservare informazioni sulla sua struttura verticale. Proprio l’approccio di Baldwin e Dunkerton (1998), basato sulle prime due EOF, mostra come sia possibile rappresentare la QBO mediante una fase continua e successivamente determinare quali configurazioni siano maggiormente associate alla risposta extratropicale.
Questa distinzione è diventata ancora più importante negli studi moderni sulle teleconnessioni della QBO. Analisi multimodello recenti non utilizzano necessariamente lo stesso indice per tutte le teleconnessioni proprio perché differenti risposte extratropicali possono risultare maggiormente correlate con livelli differenti. Nel confronto tra modelli e osservazioni, per esempio, vengono spesso utilizzati indici intorno a 40 hPa per il vortice boreale e intorno a 20–25 hPa per quello australe, non perché tali quote siano considerate universalmente causali, ma perché consentono un confronto coerente con le relazioni osservate.
La dipendenza della teleconnessione dalla definizione della fase pone inoltre un importante problema statistico. L’osservazione diretta della QBO tropicale copre soltanto alcuni decenni con qualità relativamente uniforme. Se, all’interno di questo intervallo limitato, vengono testati numerosi livelli di pressione, differenti mesi stagionali, vari indici del vortice e sotto-periodi temporali, aumenta la probabilità di ottenere correlazioni elevate per effetto del campionamento. Per questa ragione è importante distinguere tra un livello scelto a priori sulla base di un’ipotesi dinamica e un livello identificato a posteriori perché massimizza la relazione osservata. Gli studi più recenti tendono quindi a verificare la robustezza delle teleconnessioni su dataset indipendenti, rianalisi differenti e grandi ensemble di modelli.
Nel complesso, le evidenze disponibili indicano che la risposta del vortice polare non può essere attribuita in modo univoco al vento equatoriale misurato a un singolo livello. I livelli intorno a 40–50 hPa nell’Emisfero Settentrionale e 20–25 hPa nell’Emisfero Australe sono utili indici empirici, ma devono essere considerati indicatori della struttura verticale della QBO e della sua relazione stagionale con la circolazione extratropicale. La propagazione delle onde planetarie dipende infatti dal campo tridimensionale del vento zonale, dalla posizione e dall’intensità delle zone di shear, dalla circolazione meridionale secondaria e dallo stato del vortice stesso.
La fase della QBO deve quindi essere interpretata come una proprietà evolutiva dell’intera stratosfera tropicale piuttosto che come un semplice segno del vento a una determinata pressione. Il periodo medio prossimo a 28 mesi, la sua variabilità da ciclo a ciclo, la propagazione discendente non uniforme delle fasi, la presenza contemporanea di anomalie di segno alternato lungo la colonna stratosferica e il parziale allineamento con il ciclo stagionale determinano una notevole varietà di configurazioni verticali. Queste configurazioni possono modificare in maniera diversa la propagazione e la dissipazione delle onde planetarie, contribuendo alla variabilità interannuale e pluriennale della risposta del vortice polare.
La principale conseguenza metodologica è che nessuna singola definizione della fase della QBO può essere considerata universalmente ottimale. Un indice efficace per studiare il vortice boreale non è necessariamente quello più adatto per il vortice australe, per l’ozono, per la circolazione troposferica o per altre teleconnessioni. La scelta dell’indice dovrebbe essere legata alla domanda fisica, alla stagione e al meccanismo dinamico considerato. Quando possibile, la struttura verticale completa della QBO dovrebbe essere analizzata insieme all’indice a singolo livello, soprattutto nei problemi riguardanti l’accoppiamento stratosfera–stratosfera.
In questa prospettiva, la variabilità temporale dell’effetto Holton–Tan non costituisce necessariamente una prova che il meccanismo di accoppiamento cambi radicalmente da un decennio all’altro. Una parte della variazione osservata può essere prodotta dal diverso campionamento delle configurazioni verticali della QBO rispetto al ciclo stagionale, come suggerito da Anstey e Shepherd e, da una prospettiva statistica complementare, da Christiansen. Rimane tuttavia possibile che altri fattori, inclusi lo stato del vortice, la variabilità troposferica, l’attività delle onde planetarie e forcing esterni, contribuiscano a modulare l’intensità della relazione. Per questo motivo, la fase della QBO deve essere considerata come uno dei parametri che definiscono lo stato dinamico della stratosfera, non come un predittore deterministico dell’evoluzione del vortice polare.
2.4. Ciclo solare
L’interazione tra la Quasi-Biennial Oscillation, il ciclo solare di circa undici anni e la variabilità del vortice polare costituisce uno degli aspetti più complessi della dinamica stratosferica extratropicale. A partire dai lavori pionieristici di Labitzke e van Loon alla fine degli anni Ottanta, numerose analisi hanno mostrato che una parte della variabilità interannuale e quasi-decennale della stratosfera polare boreale presenta una relazione statisticamente organizzata con l’attività solare quando gli inverni vengono separati in funzione della fase della QBO. Questa relazione è risultata sufficientemente persistente da rimanere riconoscibile anche quando alle prime serie osservative sono stati aggiunti diversi ulteriori cicli solari. Ciò rappresenta un elemento importante a sostegno della realtà del fenomeno, ma non implica che il ciclo solare controlli direttamente e deterministicamente l’intensità del vortice. La stratosfera invernale è infatti un sistema fortemente non lineare, nel quale un forcing radiativo relativamente piccolo può modificare la circolazione media e, attraverso l’interazione onde–flusso medio, contribuire a cambiamenti dinamici assai maggiori dell’ampiezza del forcing iniziale.
Il termine “ciclo solare”, in questo contesto, indica prevalentemente la variabilità associata al ciclo magnetico solare di circa undici anni. L’attività solare viene frequentemente rappresentata attraverso il flusso radio a 10,7 cm, noto come F10.7, utilizzato come proxy dell’attività solare e fortemente correlato con altre manifestazioni dell’attività magnetica. È importante sottolineare che il flusso F10.7 non costituisce il forcing radiativo che riscalda direttamente la stratosfera: esso serve principalmente come indicatore dello stato dell’attività solare. Il meccanismo fisicamente più consolidato attraverso cui il ciclo undecennale può influenzare la stratosfera coinvolge invece le variazioni della radiazione ultravioletta solare. Sebbene la variazione dell’irradianza solare totale tra minimo e massimo del ciclo sia relativamente piccola, la variazione spettrale nelle bande ultraviolette assorbite da ossigeno e ozono è proporzionalmente molto maggiore. Ciò produce variazioni fotochimiche dell’ozono e del riscaldamento radiativo soprattutto nella stratosfera superiore e nella regione della stratopausa.
Il segnale solare nasce quindi inizialmente alle basse e medie latitudini della stratosfera superiore, dove le differenze di riscaldamento tra massimo e minimo solare alterano i gradienti meridionali di temperatura. Attraverso l’equilibrio del vento termico, tali variazioni modificano a loro volta il vento zonale medio, in particolare il getto subtropicale della stratosfera superiore. Una perturbazione relativamente modesta del vento medio può successivamente modificare l’ambiente attraverso il quale si propagano le onde planetarie provenienti dalla troposfera. Questo meccanismo, frequentemente indicato come percorso “top-down” dell’influenza solare, permette quindi a un forcing inizialmente concentrato nella stratosfera superiore tropicale e subtropicale di essere amplificato dinamicamente e trasmesso verso latitudini maggiori e quote inferiori attraverso le interazioni tra onde planetarie e circolazione zonale. La moderna letteratura sulle influenze solari considera questo percorso radiativo–fotochimico–dinamico il meccanismo stratosferico meglio fondato dal punto di vista fisico.
Kuroda e Kodera (2002) fornirono un’importante interpretazione dinamica di questo processo analizzando l’evoluzione stagionale del getto della notte polare nei due emisferi. I loro risultati suggerirono che il ciclo solare non producesse semplicemente una differenza statica tra un vortice più forte e uno più debole, ma modificasse piuttosto la sequenza stagionale attraverso cui la circolazione stratosferica passa da un regime maggiormente controllato dall’equilibrio radiativo a un regime fortemente condizionato dalla propagazione delle onde planetarie. Durante il massimo solare, il regime radiativamente controllato nella regione della stratopausa tendeva a persistere più a lungo e il getto subtropicale poteva raggiungere intensità maggiori. Le anomalie originate nella stratosfera superiore tendevano successivamente a propagarsi verso il polo e verso il basso durante l’evoluzione dell’inverno, attraverso una modulazione dell’attività ondulatoria e della circolazione di Brewer–Dobson.
Questa concezione è importante perché chiarisce come un segnale radiativo relativamente debole possa produrre anomalie dinamiche molto più ampie alle alte latitudini. Non si tratta di un’amplificazione energetica nel senso di una creazione di energia da parte del forcing solare, bensì di una riorganizzazione della dinamica interna della stratosfera. Le onde planetarie trasportano quantità di moto e calore dalla troposfera verso la stratosfera; piccole variazioni del vento zonale medio possono modificarne la rifrazione, la propagazione e la dissipazione e quindi cambiare considerevolmente la quantità di momento depositata nel vortice. Lo stato iniziale della circolazione diventa pertanto fondamentale. La stessa perturbazione solare può produrre conseguenze diverse a seconda della configurazione della QBO, dell’intensità del vortice e dell’attività ondulatoria troposferica presente in quel particolare inverno.
È precisamente in questo contesto che si inserisce la relazione empirica individuata da Labitzke e van Loon. Quando gli inverni boreali vengono considerati senza alcuna stratificazione, il legame tra temperatura polare stratosferica e attività solare risulta relativamente difficile da distinguere dalla grande variabilità dinamica interna. Separando invece gli anni in funzione della fase della QBO nella bassa stratosfera equatoriale, emerge una struttura molto più organizzata. Nei classici compositi, durante la QBO occidentale la temperatura e l’altezza geopotenziale della stratosfera polare tendono ad aumentare al crescere dell’attività solare, mentre durante la QBO orientale la relazione è molto più debole e, in alcune analisi, assume perfino segno opposto. La revisione di Gray et al. (2010) sottolinea che questa relazione, inizialmente individuata su una serie relativamente breve, rimase riconoscibile anche dopo l’aggiunta di diversi ulteriori cicli solari, rappresentando uno dei segnali osservativi più noti dell’interazione tra variabilità solare e dinamica stratosferica.
Gray et al. (2001b), analizzando i dati della Freie Universität Berlin per il periodo 1955–1999, mostrarono ad esempio che, quando gli anni venivano classificati mediante il vento equatoriale a 50 hPa, la correlazione tra il flusso solare a 10,7 cm e la temperatura media di gennaio–febbraio a 30 hPa sopra il Polo Nord risultava decisamente maggiore durante la QBO occidentale rispetto alla QBO orientale. Labitzke estese successivamente l’analisi utilizzando le rianalisi NCEP/NCAR e trovò una struttura analoga: il segnale solare era particolarmente evidente nel gruppo QBO-W, mentre risultava molto più debole nel gruppo QBO-E. L’estensione delle serie osservative fino agli anni Quaranta, mediante ricostruzioni precedenti all’era delle moderne rianalisi, rafforzò ulteriormente la persistenza statistica della relazione, pur introducendo inevitabilmente maggiori incertezze nei dati più antichi.
La struttura spaziale della risposta è altrettanto significativa. Le anomalie associate al ciclo solare nella stratosfera polare boreale tendono frequentemente a proiettarsi su configurazioni simili alla Northern Annular Mode, mentre nell’Emisfero Australe sono state osservate strutture analoghe alla Southern Annular Mode. Ciò suggerisce che la risposta al forcing solare non si manifesti semplicemente come un riscaldamento uniforme della stratosfera, ma attraverso una riorganizzazione della circolazione zonale e del vortice polare. Una variazione del vortice può successivamente influire sulla troposfera attraverso i processi di accoppiamento stratosfera–troposfera, sebbene la presenza di un segnale che si estende verso il basso non dimostri, da sola, una trasmissione causale diretta in quella stessa direzione.
La difficoltà fondamentale consiste nello spiegare perché il segnale solare alle alte latitudini appaia così sensibile alla fase della QBO. Una possibilità è che la QBO modifichi il campo di vento zonale attraverso cui deve propagarsi la perturbazione associata al ciclo solare. La QBO, tramite la sua circolazione meridionale secondaria e attraverso le anomalie del vento tropicale e subtropicale, modifica l’indice di rifrazione delle onde planetarie. Se il ciclo solare produce contemporaneamente anomalie del vento nella stratosfera superiore subtropicale, i due segnali possono rafforzarsi o contrastarsi a seconda della loro struttura verticale e del periodo dell’inverno. Non sarebbe quindi necessario assumere che il Sole moduli direttamente l’ampiezza della QBO; sarebbe sufficiente che QBO e forcing solare contribuissero entrambi alla definizione dello stato del vento medio sul quale agiscono le onde planetarie.
Gli esperimenti modellistici hanno fornito importanti indicazioni in questo senso. Matthes et al. (2004), mediante un modello della media atmosfera nel quale venivano rappresentate variazioni realistiche dell’irradianza solare spettrale, dell’ozono e dei venti equatoriali, riuscirono a riprodurre una propagazione verso il polo e verso il basso delle anomalie del getto della notte polare simile a quella osservata. Lo studio mostrò inoltre che una rappresentazione realistica dei venti equatoriali migliorava sensibilmente la capacità del modello di simulare il segnale solare invernale, evidenziando l’importanza dello stato della QBO per la risposta extratropicale.
Matthes et al. (2010), utilizzando il Whole Atmosphere Community Climate Model, analizzarono direttamente il ruolo della QBO nella modulazione della risposta all’undicennale solare. Il segnale solare medio annuale nella stratosfera superiore tropicale risultava relativamente indipendente dalla QBO, coerentemente con la sua origine principalmente radiativa e fotochimica. Al contrario, nella stratosfera media e inferiore la risposta dipendeva fortemente dalla fase QBO imposta. Durante il massimo solare, le differenze tra QBO orientale e occidentale coinvolgevano la circolazione di Brewer–Dobson, la temperatura e la distribuzione dell’ozono. Nell’Emisfero Australe, soprattutto tra la fine dell’inverno e l’inizio della primavera, il segno della risposta polare al ciclo solare poteva perfino cambiare in funzione della fase della QBO. Tali risultati fornivano quindi un supporto modellistico qualitativo all’idea che il segnale solare extratropicale non possa essere considerato indipendentemente dalla circolazione tropicale stratosferica.
Esperimenti successivi con forcing QBO e solare variabile nel tempo hanno ulteriormente raffinato questa interpretazione. Matthes et al. (2013) mostrarono che la corretta evoluzione stagionale del segnale osservato veniva riprodotta meglio negli esperimenti nei quali erano presenti contemporaneamente sia la variabilità solare sia quella della QBO. L’interazione non emergeva come una semplice somma lineare dei due effetti: il segnale solare iniziale nella stratosfera superiore subtropicale veniva modificato dal campo di vento associato alla QBO e ciò influenzava la successiva evoluzione del vortice durante l’inverno. Questo risultato è particolarmente rilevante perché sposta l’interpretazione da una semplice correlazione tra tre indici — attività solare, QBO e temperatura polare — verso un problema dinamico di evoluzione del flusso medio e propagazione delle onde.
Anche gli studi sugli SSW hanno contribuito a chiarire questo comportamento. Gray et al. mostrarono mediante esperimenti idealizzati che l’introduzione di anomalie orientali nella stratosfera superiore equatoriale e subtropicale poteva anticipare il momento di insorgenza dei riscaldamenti stratosferici improvvisi. Poiché sia la QBO sia il ciclo solare possono modificare il vento zonale in quelle regioni, le rispettive anomalie possono, in determinate configurazioni, rinforzarsi oppure compensarsi. Ne consegue che la frequenza o il timing degli SSW possono contribuire alla relazione osservata tra QBO, attività solare e temperatura polare senza che esista necessariamente una risposta lineare del vortice a ciascun forcing considerato isolatamente.
Camp e Tung (2007) proposero un’interpretazione particolarmente utile di questa non linearità. Analizzando 51 anni di rianalisi NCEP–NCAR e suddividendo gli inverni nei quattro stati determinati dalle combinazioni QBO orientale/occidentale e massimo/minimo solare, individuarono nella combinazione QBO occidentale più minimo solare lo stato del vortice statisticamente meno perturbato e più freddo. Rispetto a questa configurazione di riferimento, sia il massimo solare sia la QBO orientale erano associati a una perturbazione e a un riscaldamento del vortice, mentre la loro combinazione non produceva semplicemente una risposta pari alla somma dei due effetti separati. Gli autori suggerirono pertanto che una volta che il vortice viene spostato verso uno stato maggiormente disturbato, un secondo forcing non debba necessariamente provocare una perturbazione proporzionalmente ulteriore.
Questo quadro permette di comprendere meglio perché la combinazione QBO-W più minimo solare emerga frequentemente come stato particolarmente quiescente del vortice. Durante tale configurazione, né la struttura del vento associata alla QBO né quella associata al massimo solare favorirebbero, secondo questa interpretazione, la perturbazione dinamica necessaria per portare facilmente il vortice verso uno stato caldo e disturbato. Negli altri tre quadranti dello spazio QBO–Sole, almeno uno dei due fattori può invece alterare le condizioni per la propagazione delle onde planetarie e aumentare la probabilità di un vortice più disturbato. Questa interpretazione differisce dalla concezione più semplice secondo cui l’effetto della QBO dovrebbe necessariamente invertirsi tra minimo e massimo solare.
La distinzione è importante anche per l’interpretazione del classico effetto Holton–Tan. Alcuni studi iniziali avevano suggerito che durante il massimo solare la relazione Holton–Tan potesse effettivamente invertirsi. Analisi successive hanno fornito un quadro meno netto: Gray et al. e Camp e Tung hanno suggerito che sia più appropriato parlare, in molti casi, di un indebolimento o di una perturbazione della relazione piuttosto che di una vera inversione sistematica. La revisione di Gray et al. (2010) sottolinea esplicitamente questa distinzione.
Un ulteriore elemento di interesse è rappresentato dalla possibile influenza del ciclo solare sulla QBO stessa. Salby e Callaghan proposero che alcune caratteristiche temporali della QBO, incluse la durata relativa delle fasi, potessero essere modulate dal ciclo undecennale attraverso variazioni del riscaldamento ultravioletta e dell’ozono nella stratosfera superiore. Questa ipotesi avrebbe fornito un meccanismo particolarmente diretto per spiegare la relazione osservata tra attività solare, allineamento stagionale della QBO e vortice polare. Tuttavia, la robustezza statistica di questa modulazione è stata contestata da altri studi e non può essere considerata un risultato definitivamente acquisito. La stessa revisione di Gray et al. evidenzia come l’ipotesi abbia ricevuto sia risultati favorevoli sia critiche e rimanga quindi distinta dalla più solida evidenza che la QBO moduli la risposta atmosferica al forcing solare.
La Figura 5 della sezione originale deve essere interpretata alla luce di questa complessità. Utilizzando il vento zonale a 10 hPa e 60°N come misura dell’intensità del vortice, essa rappresenta lo spazio congiunto definito dalla fase della QBO e dall’attività solare. La combinazione QBO-W/minimo solare emerge come il regime associato al vortice mediamente meno perturbato. Allontanandosi da questo stato, attraverso il passaggio a massimo solare oppure a QBO-E, aumenta mediamente il disturbo del vortice. Tuttavia, le differenze tra gli altri tre regimi sono meno nette, soprattutto nella parte finale dell’inverno, coerentemente con l’interpretazione non lineare proposta da Camp e Tung.
La stessa figura contiene però anche un importante avvertimento metodologico. Considerando i singoli dati giornalieri anziché soltanto le quattro medie composite, emerge una dispersione molto ampia dell’intensità del vortice. La variabilità interna della stratosfera è quindi assai maggiore della separazione media tra molti dei gruppi QBO–Sole. Inoltre alcune regioni dello spazio delle fasi non sono state affatto campionate durante il periodo osservativo. Il risultato ottenuto dividendo le osservazioni in quattro categorie dipende necessariamente dalle soglie utilizzate per definire QBO-E e QBO-W, così come quelle utilizzate per distinguere massimo e minimo solare. Una piccola variazione di tali soglie può spostare alcuni inverni da una categoria all’altra e alterare le medie ottenute.
Questo problema conduce a una limitazione fondamentale degli studi osservativi sul ciclo solare: la lunghezza effettiva della serie disponibile. Anche utilizzando ricostruzioni antecedenti all’era satellitare, il numero di cicli solari indipendenti rimane relativamente piccolo. Le osservazioni satellitari globali di alta qualità coprono soltanto pochi cicli completi. Inoltre alcuni importanti forcing atmosferici non sono distribuiti casualmente rispetto al ciclo solare. Le grandi eruzioni di El Chichón nel 1982 e del Pinatubo nel 1991, per esempio, si verificarono entrambe relativamente vicino a fasi di elevata attività solare; gli aerosol vulcanici modificarono profondamente il bilancio radiativo della stratosfera e possono quindi contaminare la stima statistica del segnale solare. Anche QBO, ENSO, variazioni dell’ozono e variabilità interna del vortice possono sovrapporsi al segnale undecennale. Il WMO ha sottolineato esplicitamente come il numero limitato di cicli osservati e l’aliasing tra QBO, aerosol vulcanici e altri modi di variabilità introducano incertezze rilevanti soprattutto nella stratosfera inferiore.
Gli esperimenti con modelli climatici costituiscono pertanto uno strumento fondamentale per separare questi effetti, perché permettono di realizzare ensemble molto più lunghi delle osservazioni e di controllare individualmente i forcing. Tuttavia anche i modelli presentano limitazioni. La corretta simulazione dell’interazione Sole–QBO–vortice richiede una rappresentazione realistica della QBO, della stratosfera superiore, dell’ozono, della variabilità dell’irradianza solare spettrale, delle onde planetarie e della loro interazione con il flusso medio. Errori sistematici in uno qualsiasi di questi elementi possono modificare profondamente la risposta. Studi con modelli dotati di QBO generata internamente mostrano per esempio che alcuni aspetti qualitativi della dipendenza del segnale solare dalla QBO possono essere riprodotti, ma la significatività delle anomalie polari rimane spesso debole e fortemente dipendente dal mese considerato.
La letteratura contemporanea invita quindi a distinguere tra due livelli di evidenza. Il primo riguarda il forcing solare diretto nella stratosfera superiore tropicale e subtropicale: la variazione della radiazione UV, la risposta fotochimica dell’ozono e la conseguente variazione di temperatura sono processi fisicamente ben fondati e riprodotti dai modelli. Il secondo riguarda l’amplificazione dinamica e la trasmissione del segnale verso il vortice polare, la bassa stratosfera e infine la troposfera: qui la risposta è maggiormente dipendente dallo stato interno dell’atmosfera e mostra quindi un grado di incertezza superiore. Gray et al. sottolineano infatti che, nonostante i notevoli progressi nella simulazione dell’interazione QBO–ciclo solare, il meccanismo attraverso cui tale interazione modifica gli SSW e il vortice polare non è ancora completamente definito.
Anche l’Emisfero Australe fornisce indicazioni interessanti. Kuroda e Kodera individuarono una modulazione solare dell’evoluzione stagionale del getto della notte polare in entrambi gli emisferi, ma le differenti caratteristiche dinamiche dei vortici artico e antartico fanno sì che il segnale non debba manifestarsi nello stesso modo. Nell’Emisfero Australe il vortice è generalmente più forte e stabile e la propagazione delle onde planetarie è più debole; il segnale solare tende pertanto a essere maggiormente associato all’evoluzione stagionale e alla fase di decadimento del vortice. Analisi più recenti della struttura del bordo del vortice antartico nel periodo 1979–2020 hanno rilevato una modulazione associata al ciclo solare, a sua volta modificata da QBO ed ENSO, confermando che l’influenza dei diversi modi di variabilità non può essere trattata come una semplice sovrapposizione lineare.
Il quadro complessivo suggerisce quindi che il ciclo solare agisca soprattutto modificando le condizioni dinamiche nelle quali si sviluppa l’inverno stratosferico. Durante il massimo solare, l’aumento della radiazione ultravioletta modifica direttamente il riscaldamento e l’ozono nella stratosfera superiore, alterando i gradienti termici e il vento zonale. Queste anomalie possono successivamente interagire con la QBO e con le onde planetarie, modificando la circolazione residua e il vortice polare. Il segno finale della risposta dipende tuttavia dallo stato atmosferico nel quale il forcing viene applicato. Il ciclo solare non determina quindi automaticamente un vortice più forte o più debole; modifica piuttosto il background dinamico e, di conseguenza, la probabilità con cui il sistema evolve verso differenti regimi.
Questa concezione è perfettamente coerente con il carattere non lineare della stratosfera invernale. Il vortice polare presenta una grande variabilità intrinseca dovuta alle interazioni con le onde planetarie troposferiche e può passare rapidamente da uno stato intenso e relativamente indisturbato a uno stato fortemente perturbato associato a un SSW. In un sistema di questo tipo, un piccolo cambiamento del vento medio nella stratosfera superiore può avere conseguenze trascurabili in un inverno e molto più importanti in un altro, perché altera le condizioni di propagazione delle onde proprio quando il sistema si trova vicino a una soglia dinamica. Questo comportamento contribuisce a spiegare perché i compositi QBO–Sole evidenzino differenze medie statisticamente organizzate, mentre i singoli inverni mostrano una dispersione molto elevata.
Di conseguenza, non è corretto interpretare i quattro stati QBO-W/SC-min, QBO-W/SC-max, QBO-E/SC-min e QBO-E/SC-max come quattro regimi deterministici capaci di predire direttamente l’intensità del vortice. Essi rappresentano piuttosto quattro differenti condizioni di fondo nelle quali cambiano statisticamente la propagazione ondulatoria e la probabilità di perturbare il vortice. La combinazione QBO-W più minimo solare appare particolarmente favorevole a un vortice freddo e relativamente indisturbato nelle analisi storiche, ma ciò non impedisce che la variabilità troposferica produca un inverno anomalo. Analogamente, né QBO-E né massimo solare garantiscono il verificarsi di un SSW.
Il concetto di probabilità condizionata allo stato di fondo costituisce forse la maniera più appropriata di interpretare l’interazione tra QBO e ciclo solare. La QBO modifica la struttura verticale e latitudinale del vento tropicale e subtropicale; il ciclo solare produce una perturbazione radiativa e dinamica soprattutto nella stratosfera superiore; il vortice polare determina a sua volta la capacità delle onde di propagarsi e interagire con la circolazione. Il risultato finale emerge dall’interazione tra questi elementi e dal forcing ondulatorio proveniente dalla troposfera. In questo senso QBO e attività solare possono essere considerate modulatrici della sensibilità del vortice più che cause indipendenti di un determinato stato.
Anche studi molto recenti continuano a sottolineare il problema del rapporto tra segnale forzato e rumore interno. Analisi estese al settore nordatlantico mostrano che possono esistere segnali associati al ciclo solare, ma la loro robustezza, struttura stagionale e proiezione sui principali modi di variabilità rimangono oggetto di discussione, proprio perché il segnale solare è piccolo rispetto alla variabilità atmosferica interna. Questo problema è strettamente collegato alla difficoltà dei modelli nel riprodurre correttamente anche le teleconnessioni extratropicali della QBO, che dipendono dagli stessi delicati processi di interazione onde–flusso medio.
Alla luce dell’insieme degli studi osservativi e modellistici, l’interazione tra QBO, ciclo solare e vortice polare può quindi essere considerata una relazione fisicamente plausibile e supportata da numerose evidenze, ma ancora caratterizzata da importanti incertezze quantitative. Il segnale solare diretto nella stratosfera superiore è relativamente ben compreso; molto più complesso è stabilire con quale intensità e attraverso quali percorsi esso venga amplificato dinamicamente fino alle alte latitudini. La QBO rappresenta uno dei principali fattori capaci di modificare tale percorso, perché altera il vento zonale tropicale e subtropicale e quindi l’ambiente di propagazione delle onde planetarie. Tuttavia, il numero limitato di cicli solari osservati, la presenza di grandi eruzioni vulcaniche, la variabilità della QBO stessa, ENSO e l’enorme variabilità interna del vortice impongono prudenza nell’attribuire una relazione causale univoca alle correlazioni osservate.
La principale conclusione che emerge dalla letteratura non è quindi che il Sole controlli periodicamente il vortice polare ogni undici anni, ma che il ciclo solare costituisca uno dei diversi fattori capaci di modificare lo stato di fondo della stratosfera e la sua sensibilità alla dinamica ondulatoria. Quando questa perturbazione interagisce con una particolare configurazione della QBO, il segnale può essere amplificato, attenuato o modificato nel segno durante l’evoluzione stagionale. È proprio questa dipendenza dallo stato atmosferico a rendere la relazione QBO–ciclo solare scientificamente interessante: essa costituisce uno degli esempi più chiari di come un forcing esterno relativamente debole possa interagire con la variabilità interna di un sistema atmosferico non lineare e produrre risposte regionali molto più complesse della perturbazione radiativa originaria. La variabilità quasi-decennale osservata nell’accoppiamento QBO–vortice non dovrebbe pertanto essere attribuita automaticamente al ciclo solare, ma il ciclo undecennale rappresenta un candidato fisicamente plausibile e osservativamente supportato per una parte di tale modulazione, inserito in un sistema nel quale QBO, propagazione delle onde planetarie, circolazione di Brewer–Dobson, SSW e stato del vortice polare interagiscono continuamente tra loro.
2.5. El Niño–Southern Oscillation
L’El Niño–Southern Oscillation, ENSO, rappresenta la principale sorgente di variabilità climatica interannuale del sistema atmosfera–oceano tropicale e costituisce al tempo stesso uno dei più importanti fattori capaci di modulare la circolazione atmosferica extratropicale su scala globale. Sebbene le manifestazioni più evidenti dell’ENSO abbiano origine nel Pacifico tropicale, attraverso anomalie della temperatura superficiale oceanica, della convezione profonda e della circolazione di Walker, le sue teleconnessioni si estendono ben oltre la troposfera tropicale e possono raggiungere la stratosfera polare di entrambi gli emisferi. Nel caso dell’Emisfero Settentrionale, questo collegamento assume particolare importanza durante l’inverno boreale, quando le onde planetarie generate e modificate nella troposfera possono propagarsi verticalmente nella stratosfera e interagire con il vortice polare. Di conseguenza, ENSO costituisce anche un importante elemento di complicazione nell’identificazione della risposta extratropicale della Quasi-Biennial Oscillation, poiché ENSO e QBO possono influenzare contemporaneamente il vortice attraverso meccanismi distinti ma parzialmente sovrapposti. La letteratura più recente considera ormai il collegamento ENSO–stratosfera come una teleconnessione fisicamente ben fondata, pur sottolineando che la sua intensità varia notevolmente tra un evento e l’altro e che l’interazione con QBO, attività delle onde planetarie, tipo di ENSO e variabilità interna del vortice rende il segnale fortemente non lineare.
I primi studi osservativi sulla relazione tra ENSO e stratosfera polare si svilupparono quasi contemporaneamente alle ricerche sull’effetto Holton–Tan. Van Loon et al. mostrarono all’inizio degli anni Ottanta che gli inverni caratterizzati dalla fase calda dell’ENSO tendevano a presentare una stratosfera polare boreale più calda e un vortice più debole, mentre gli episodi freddi tendevano mediamente a essere associati a condizioni opposte. Tuttavia, proprio la brevità del record disponibile rendeva estremamente difficile stabilire se tali anomalie fossero veramente associate all’ENSO oppure fossero in parte attribuibili alla QBO. Nei primi campioni osservativi diversi episodi di El Niño coincidevano infatti con la fase orientale della QBO, mentre numerosi episodi di La Niña coincidevano con la fase occidentale. Poiché QBO-E è essa stessa statisticamente associata, secondo l’effetto Holton–Tan, a un vortice boreale più debole e caldo rispetto a QBO-W, le due influenze tendevano a rafforzarsi reciprocamente. Una semplice analisi composita avrebbe quindi potuto attribuire all’ENSO una parte della risposta prodotta dalla QBO o viceversa.
È fondamentale sottolineare che tale coincidenza non implica un accoppiamento lineare diretto tra le fasi dell’ENSO e quelle della QBO. Le due oscillazioni sono generate da processi dinamici profondamente differenti. ENSO deriva dall’interazione atmosfera–oceano nel Pacifico tropicale, mentre la QBO è essenzialmente un’oscillazione dei venti zonali stratosferici tropicali mantenuta dalla deposizione di momento da parte di onde atmosferiche che si propagano verticalmente. ENSO può modificare lo spettro delle onde equatoriali generate dalla convezione e quindi influire sulla velocità con cui alcune fasi della QBO propagano verso il basso, ma questo meccanismo non richiede né produce una relazione lineare stabile tra il segno dell’indice ENSO e quello della QBO. La coincidenza osservata durante alcuni decenni deve quindi essere considerata soprattutto un problema di campionamento, particolarmente serio quando si dispone soltanto di poche decine di inverni. La revisione di Domeisen, Garfinkel e Butler mostra infatti che la relazione statistica tra ENSO e QBO è cambiata nel tempo: prima circa del 1979 El Niño tendeva a coincidere più frequentemente con QBO orientale e La Niña con QBO occidentale, mentre nei decenni successivi la relazione ha mostrato un segno differente. Questo cambiamento è sufficiente a produrre apparenti variazioni decadali della teleconnessione ENSO–vortice anche senza una variazione fondamentale del meccanismo fisico sottostante.
La difficoltà dei primi studi nel separare i due segnali appare quindi perfettamente comprensibile. Wallace e Chang, van Loon e Labitzke e successivamente Hamilton mostrarono che sia ENSO sia QBO potevano lasciare una firma nella circolazione stratosferica, ma che pochi decenni di osservazioni erano insufficienti per isolarne con sicurezza i contributi. Un elemento importante emerso da queste ricerche era tuttavia la diversa struttura spaziale delle due risposte. Il segnale ENSO risultava più fortemente asimmetrico in longitudine e strettamente collegato alla struttura delle onde planetarie, mentre la risposta QBO tendeva a manifestarsi più chiaramente nella componente zonalmente media della circolazione. Questa differenza costituisce un’indicazione fondamentale del diverso percorso dinamico seguito dai due fenomeni.
La QBO modifica direttamente la struttura del vento zonale nella stratosfera tropicale e subtropicale e, attraverso la circolazione meridionale secondaria e la rifrazione delle onde planetarie, influenza il vortice polare. ENSO, al contrario, modifica inizialmente la convezione tropicale e la circolazione troposferica. Le anomalie di riscaldamento diabatico associate a El Niño alterano la sorgente e la propagazione dei treni di onde di Rossby nel Pacifico–Nord America. Queste teleconnessioni cambiano quindi l’ampiezza e la fase delle onde planetarie troposferiche che raggiungono la stratosfera. È attraverso questa riorganizzazione del forcing ondulatorio che una parte importante del segnale ENSO viene trasmessa verso il vortice.
Gli studi moderni hanno confermato questo meccanismo con maggiore chiarezza. Durante El Niño, le anomalie della convezione tropicale modificano la circolazione del Pacifico settentrionale e tendono a produrre una configurazione del campo geopotenziale che proietta sul Pacific–North American pattern, PNA. In particolare, il minimo aleutinico può intensificarsi e assumere una configurazione più favorevole all’interferenza costruttiva tra le anomalie troposferiche e l’onda planetaria climatologica di numero d’onda zonale 1. Quando questa interferenza è costruttiva, l’ampiezza dell’onda aumenta e una maggiore quantità di attività ondulatoria può propagarsi verticalmente nella stratosfera. Le onde che raggiungono la media e alta stratosfera depositano momento quando vengono dissipate o rompono, producendo una decelerazione dei venti occidentali del vortice e inducendo, attraverso la circolazione meridionale residua, subsidenza e riscaldamento dinamico alle alte latitudini.
Questa catena di processi fornisce l’interpretazione dinamica principale della tendenza osservata durante El Niño verso un vortice boreale mediamente più debole e una stratosfera polare più calda. Parallelamente, la maggiore convergenza del flusso di Eliassen–Palm rafforza la circolazione di Brewer–Dobson. Una circolazione residua più intensa comporta maggiore risalita dell’aria nella stratosfera tropicale e maggiore subsidenza alle medie e alte latitudini. La risalita tropicale produce raffreddamento adiabatico della bassa stratosfera tropicale, mentre la maggiore subsidenza polare determina riscaldamento dinamico. Proprio questa struttura dipolare — raffreddamento tropicale e riscaldamento polare — costituisce una delle firme più robuste della teleconnessione ENSO–stratosfera. La revisione di Domeisen et al. conclude che durante El Niño sono generalmente osservabili aumento della propagazione ondulatoria verso l’alto, rafforzamento della Brewer–Dobson circulation, raffreddamento della bassa stratosfera tropicale e indebolimento del vortice polare; durante La Niña sono frequentemente osservate anomalie di segno opposto, ma con robustezza inferiore.
Il rafforzamento della circolazione di Brewer–Dobson durante gli episodi caldi ENSO non riguarda esclusivamente il ramo extratropicale. Calvo et al. hanno mostrato mediante il Whole Atmosphere Community Climate Model che durante gli eventi ENSO caldi aumenta anche l’upwelling nella bassa stratosfera tropicale. In questo caso il meccanismo comprende non soltanto le onde planetarie extratropicali ma anche anomalie del drag prodotto dalle onde di gravità orografiche. Le variazioni ENSO modificano infatti i gradienti termici nella regione della tropopausa e la struttura dei jet subtropicali, alterando le condizioni di propagazione e dissipazione delle onde di gravità. Il risultato è un’ulteriore accelerazione della circolazione residua tropicale e quindi una risposta coerente delle temperature e dei costituenti chimici della bassa stratosfera.
Questi risultati aiutano a comprendere perché gli studi più recenti abbiano identificato una risposta ENSO molto più robusta di quella riscontrata negli studi degli anni Ottanta e Novanta. L’ampliamento delle serie di rianalisi, l’introduzione di metodologie statistiche multivariate e soprattutto l’utilizzo di modelli dotati di una stratosfera adeguatamente risolta hanno consentito di separare meglio il segnale ENSO dalla grande variabilità interna del vortice. Camp e Tung, Garfinkel e Hartmann e altri autori mostrarono che El Niño è statisticamente associato a una stratosfera polare boreale più calda e a un vortice più debole durante l’inverno. Garfinkel e Hartmann individuarono inoltre una risposta ENSO significativa anche senza stratificare preventivamente i dati in funzione della QBO, mentre il segnale della QBO rimaneva chiaramente identificabile quando l’analisi veniva limitata agli anni ENSO-neutri. Questi risultati dimostrarono che le due teleconnessioni possono essere fisicamente distinte, pur interagendo tra loro.
Il PNA appare particolarmente importante in questo percorso. Le ricerche di Garfinkel e Hartmann hanno mostrato che la risposta stratosferica al PNA è molto più marcata di quanto suggerissero alcune analisi precedenti. Il meccanismo passa principalmente attraverso la modificazione del sistema depressionario aleutinico e quindi della struttura dell’onda planetaria di numero d’onda 1. Quando il PNA assume una configurazione positiva coerente con El Niño, l’interferenza tra l’anomalia troposferica e l’onda climatologica può intensificare il flusso di attività ondulatoria verso la stratosfera. Il vortice riceve quindi un forcing dinamico maggiore, tende a rallentare e può diventare più suscettibile a grandi perturbazioni.
Ciò non significa, tuttavia, che ogni El Niño conduca necessariamente a un vortice debole. La teleconnessione è probabilistica e presenta una notevole variabilità da evento a evento. Alcuni El Niño molto intensi non sono stati accompagnati da major SSW, mentre alcuni inverni La Niña hanno presentato riscaldamenti stratosferici estremamente intensi. Il caso del febbraio 2018, verificatosi durante La Niña, e quello del gennaio 2009 mostrano chiaramente che lo stato del Pacifico tropicale non determina in modo univoco l’evoluzione del vortice. La dinamica stratosferica dipende infatti anche dalla variabilità intrinseca della troposfera extratropicale, dalla QBO, dal ciclo solare, dalla copertura nevosa, dal ghiaccio marino e dalla sequenza specifica di impulsi di attività ondulatoria che raggiungono il vortice.
Un punto particolarmente interessante riguarda proprio la relazione tra ENSO e riscaldamenti stratosferici improvvisi. Se ci si limita allo stato stagionale medio, El Niño mostra generalmente una relazione più chiara con un vortice debole e caldo, mentre La Niña tende verso anomalie opposte e spesso meno robuste. Questa asimmetria aveva portato inizialmente a ipotizzare che gli SSW dovessero verificarsi molto più frequentemente durante El Niño che durante La Niña. Butler e Polvani hanno tuttavia dimostrato che questa conclusione non segue necessariamente dalle osservazioni. Analizzando 53 anni di rianalisi, trovarono che i major SSW erano quasi due volte più frequenti durante gli inverni ENSO non neutri rispetto agli inverni neutri, ma risultavano sorprendentemente quasi altrettanto frequenti durante La Niña quanto durante El Niño.
Questo risultato apparentemente paradossale evidenzia la necessità di distinguere tra stato stagionale medio della stratosfera ed eventi estremi substagionali. Un inverno può contenere uno o più SSW e, nonostante ciò, presentare una temperatura polare media stagionale non particolarmente elevata. Viceversa, la media stagionale può risultare relativamente calda senza che si verifichi un major SSW. Gli SSW dipendono da episodi relativamente brevi ma molto intensi di convergenza dell’attività ondulatoria, mentre la temperatura media invernale integra l’evoluzione del vortice per diversi mesi. Pertanto, una correlazione tra Niño-3.4 e temperatura polare media non può essere automaticamente tradotta in una relazione equivalente con la frequenza degli SSW. Butler e Polvani mostrarono proprio che, mentre la temperatura media del cappuccio polare presentava una relazione significativa con ENSO, la distribuzione degli SSW tra El Niño e La Niña era molto più simmetrica.
La relazione con la QBO aggiunge un ulteriore livello di complessità. Garfinkel e Hartmann mostrarono che l’influenza ENSO sul vortice emergeva con particolare chiarezza durante QBO-W, mentre il classico effetto della QBO risultava molto evidente durante gli episodi ENSO freddi. Analogamente, Wei et al. trovarono che la risposta di tipo Holton–Tan era particolarmente marcata durante La Niña ma risultava fortemente attenuata durante gli episodi caldi. Una possibile interpretazione è che l’intenso forcing ondulatorio troposferico generato durante alcuni El Niño possa dominare o mascherare la più sottile modulazione esercitata dalla QBO sulla rifrazione delle onde. In questo caso non si tratterebbe quindi di una scomparsa fisica dell’effetto Holton–Tan, ma di una modifica del background ondulatorio tale da rendere statisticamente molto più difficile isolarlo.
Gli esperimenti modellistici confermano che questa interazione non può essere rappresentata come una semplice somma lineare dei due effetti. Richter et al., utilizzando WACCM, eseguirono simulazioni nelle quali venivano eliminate separatamente o congiuntamente la QBO e la variabilità delle temperature superficiali oceaniche. L’eliminazione di uno solo dei due fattori produceva una frequenza degli SSW relativamente simile a quella della simulazione di controllo, mentre la rimozione simultanea di QBO e SST variabili riduceva significativamente la frequenza degli eventi. Gli autori interpretarono questo comportamento come evidenza di un’interazione non lineare tra ENSO e QBO nella stratosfera polare. Inoltre, nel modello i due forcing sembravano influenzare gli SSW in modo differente: la QBO era associata a eventi mediamente più intensi e a un segnale più persistente nella temperatura stratosferica, mentre l’influenza ENSO appariva maggiormente concentrata tra gennaio e marzo.
La non stazionarietà della teleconnessione rappresenta un altro problema cruciale. La relazione tra ENSO e vortice artico è stata molto evidente in alcune porzioni del record osservativo e assai più debole in altre. Garfinkel et al. hanno mostrato che la teleconnessione ENSO–stratosfera, molto chiara nel periodo precedente alla fine degli anni Settanta e in numerose simulazioni climatiche, appare notevolmente attenuata nei decenni più recenti. Una parte di questa variazione può dipendere proprio dal diverso allineamento tra ENSO e QBO. Quando El Niño e QBO-E coincidono, le due influenze tendono in linea generale a favorire entrambe un vortice più debole; quando El Niño coincide invece con QBO-W, le rispettive influenze possono contrastarsi. Cambiando nel tempo la frequenza relativa di tali combinazioni, cambia inevitabilmente anche l’intensità apparente della relazione ENSO–vortice calcolata su intervalli relativamente brevi.
A ciò si aggiunge la diversità intrinseca degli eventi ENSO. El Niño non costituisce una singola configurazione spaziale invariabile del Pacifico tropicale. Le anomalie massime della temperatura superficiale oceanica possono essere concentrate più verso il Pacifico orientale, configurazione frequentemente indicata come Eastern Pacific El Niño, oppure prevalentemente nel Pacifico centrale, configurazione indicata come Central Pacific El Niño. Questa distinzione non deve essere interpretata come una dicotomia rigida, poiché numerosi eventi presentano caratteristiche intermedie e la loro classificazione dipende in parte dall’indice utilizzato. Gli studi sulla diversità ENSO sottolineano infatti che gli eventi reali occupano un continuum di longitudine, ampiezza e struttura, piuttosto che due categorie perfettamente separate.
La posizione longitudinale delle anomalie SST è tuttavia dinamicamente importante perché determina dove si concentra la convezione tropicale anomala e quindi quale treno di onde di Rossby viene generato. Esperimenti con modelli CMIP5 dotati di stratosfera ben risolta hanno mostrato che gli eventi El Niño del Pacifico orientale producono mediamente una risposta stratosferica boreale più robusta rispetto agli eventi del Pacifico centrale. Durante EP El Niño il PNA tende a svilupparsi prima e più intensamente, il minimo aleutinico assume una configurazione particolarmente favorevole all’amplificazione dell’onda planetaria di numero d’onda 1 e aumenta il flusso ondulatorio verso la stratosfera. Il risultato medio è un vortice significativamente più debole e caldo. Nelle simulazioni analizzate, invece, la risposta polare media durante CP El Niño era molto meno robusta.
Anche questo risultato richiede però cautela. Iza et al. hanno mostrato che la risposta stratosferica associata a Central Pacific El Niño dipende fortemente dalla presenza o meno di SSW. Quando gli eventi vengono separati sulla base dell’occorrenza di un riscaldamento stratosferico improvviso, emergono risposte polari di segno differente, indicando che il piccolo numero di eventi osservati e la presenza di pochi SSW particolarmente intensi possono dominare il composito. In assenza di SSW, le differenze tra CP ed EP El Niño risultano più coerenti con le differenti strutture del PNA e del forcing ondulatorio.
L’inverno 2015–2016 costituisce un esempio particolarmente istruttivo. Si trattò di uno degli El Niño più intensi dell’era osservativa e possedeva una forte componente del Pacifico orientale, ma presentava contemporaneamente anomalie estremamente elevate anche nel Pacifico centrale. Nonostante l’enorme ampiezza del riscaldamento tropicale, il vortice polare rimase insolitamente intenso durante una parte significativa dell’inverno, accompagnato da ridotto flusso ondulatorio verso la stratosfera e da un minimo aleutinico meno favorevole rispetto a quanto normalmente atteso per un classico EP El Niño. Successivamente si verificò un final warming molto precoce. Palmeiro et al. interpretarono questa sequenza come un esempio della complessità introdotta dagli eventi ENSO “misti”, nei quali la semplice ampiezza dell’indice Niño-3.4 non è sufficiente a prevedere la risposta stratosferica.
Questo caso dimostra un principio di grande importanza: l’intensità dell’ENSO da sola non determina l’ampiezza della risposta del vortice. È necessario conoscere anche la posizione delle anomalie SST, la distribuzione della convezione, la fase del PNA, l’interferenza tra le anomalie troposferiche e le onde climatologiche, la QBO e lo stato iniziale della stratosfera. In altre parole, due El Niño con valori simili dell’indice Niño-3.4 possono produrre risposte stratosferiche molto diverse.
La teleconnessione ENSO–stratosfera assume importanza anche perché il segnale non termina necessariamente nella stratosfera. Una volta perturbato, il vortice può influenzare a sua volta la troposfera sottostante. Un vortice debole è frequentemente seguito da anomalie negative della Northern Annular Mode e della North Atlantic Oscillation, con pressioni relativamente elevate nella regione artica e una ridistribuzione dei jet e delle traiettorie delle perturbazioni alle medie latitudini. Questo percorso consente quindi all’ENSO di raggiungere il settore nordatlantico ed europeo non soltanto attraverso le teleconnessioni troposferiche dirette, ma anche attraverso un percorso indiretto che passa per la stratosfera.
Ineson e Scaife hanno dimostrato questo meccanismo mediante esperimenti modellistici nei quali una rappresentazione adeguata della stratosfera permetteva di simulare una risposta europea a El Niño più realistica rispetto a una versione del modello con un top atmosferico più basso. Durante El Niño, l’aumento dell’attività ondulatoria indeboliva il vortice e la successiva propagazione verso il basso delle anomalie stratosferiche favoriva nella seconda parte dell’inverno una configurazione superficiale simile alla fase negativa della NAO. Questo studio fornì una delle prime dimostrazioni modellistiche end-to-end di un percorso Pacifico tropicale–stratosfera polare–Atlantico settentrionale–Europa.
È tuttavia importante non interpretare tale percorso come necessariamente attivo durante ogni El Niño. ENSO esercita contemporaneamente teleconnessioni troposferiche dirette verso l’Atlantico e teleconnessioni indirette attraverso la stratosfera. Le due vie possono rafforzarsi oppure contrastarsi, e la loro importanza relativa varia durante l’inverno. Inoltre, la variabilità interna nordatlantica è molto elevata. La stratosfera può aumentare la persistenza di alcune anomalie e quindi migliorare la prevedibilità substagionale e stagionale, ma non elimina l’incertezza legata alla dinamica caotica troposferica.
Anche La Niña richiede un’interpretazione più sofisticata di una semplice “El Niño di segno opposto”. Nelle medie stagionali La Niña tende frequentemente a essere associata a un vortice più intenso e più freddo, a minore attività ondulatoria verticale e a una circolazione di Brewer–Dobson relativamente più debole. Tuttavia, queste anomalie sono in genere meno robuste rispetto a quelle di El Niño, e la frequenza osservata degli SSW non segue questa semplice simmetria. La revisione di Domeisen et al. sottolinea che le teleconnessioni di La Niña possono risultare non lineari, non stazionarie e fortemente influenzate dall’interazione con altri modi di variabilità.
La distinzione tra risposta media e probabilità di eventi estremi è quindi fondamentale. In media, El Niño sposta la distribuzione del vortice verso stati più deboli; ciò non significa che tutti gli estremi deboli si verifichino durante El Niño. Analogamente, La Niña può spostare la media verso un vortice più intenso senza impedire episodi estremi di forte attività ondulatoria capaci di provocare SSW. Questa proprietà è tipica di un sistema nel quale il forcing modifica una distribuzione probabilistica senza determinare individualmente ogni evento.
Anche il possibile effetto dell’ENSO sull’evoluzione della QBO stessa merita attenzione. La QBO è forzata dalla deposizione di momento prodotta da un ampio spettro di onde equatoriali, comprese onde Kelvin, mixed Rossby–gravity, onde inerziali e onde di gravità di scala più piccola. Poiché ENSO modifica profondamente la posizione e l’intensità della convezione tropicale, può modificare anche lo spettro di queste onde. La revisione moderna di Domeisen et al. indica che El Niño può essere associato a variazioni della propagazione verso il basso della QBO. Questa influenza rappresenta tuttavia una modulazione della velocità di evoluzione della QBO e non una relazione deterministica tra la fase ENSO e il segno del vento stratosferico equatoriale.
La questione assume particolare rilevanza quando si studia la variabilità quasi-decennale dell’effetto Holton–Tan. Poiché sia la QBO sia ENSO possono influenzare il vortice e poiché le loro fasi relative cambiano su scale pluriennali, campioni osservativi brevi possono mostrare decenni nei quali i segnali si rafforzano e altri nei quali si compensano. Una variazione apparente dell’intensità della teleconnessione QBO–vortice può quindi essere prodotta almeno in parte dalla distribuzione temporale degli eventi ENSO. In modo analogo, una variazione decadale apparente della relazione ENSO–vortice può derivare dal cambiamento della distribuzione delle fasi QBO associate agli eventi caldi e freddi. Questa interdipendenza costituisce uno dei motivi principali per cui l’attribuzione delle variazioni decadali della stratosfera a un singolo forcing deve essere effettuata con estrema cautela.
La moderna ricerca ha quindi progressivamente sostituito la domanda semplicistica “ENSO o QBO?” con un approccio basato sullo stato complessivo dell’atmosfera. Il vortice polare risponde simultaneamente alla fase e alla struttura verticale della QBO, alla distribuzione delle SST tropicali, alla configurazione PNA, alla propagazione delle onde planetarie, al ciclo solare e alla propria variabilità interna. Ciascuno di questi elementi modifica le condizioni nelle quali agiscono gli altri. In particolare, ENSO determina in larga misura la sorgente troposferica delle anomalie ondulatorie, mentre la QBO modifica il mezzo stratosferico attraverso cui le onde si propagano. Il segnale finale alle alte latitudini è quindi il risultato di un’interazione tra sorgente delle onde, ambiente di propagazione e stato iniziale del vortice.
Questa interpretazione spiega anche perché i modelli climatici con una stratosfera scarsamente risolta tendano a rappresentare in modo incompleto alcune teleconnessioni ENSO. Per simulare realisticamente il percorso stratosferico è necessario rappresentare correttamente non soltanto il PNA e le sorgenti troposferiche delle onde, ma anche la loro propagazione verticale, il vortice, la QBO, la Brewer–Dobson circulation e l’accoppiamento stratosfera–troposfera. Esperimenti nei quali vengono confrontati modelli high-top e low-top mostrano generalmente che entrambi possono simulare una parte della risposta ENSO nella bassa stratosfera, ma i modelli con una stratosfera maggiormente risolta tendono a produrre una risposta superficiale tardoinvernale più coerente, in particolare nel settore nordatlantico ed europeo.
Nonostante i considerevoli progressi degli ultimi decenni, rimangono quindi diverse questioni aperte. Non è ancora completamente stabilito in quale misura La Niña debba essere considerata semplicemente come una risposta di segno opposto rispetto a El Niño; non è chiaro quanto linearmente aumenti la risposta stratosferica con l’ampiezza delle anomalie SST; rimane incerto il ruolo quantitativo delle differenti “flavours” di ENSO; e la modulazione esercitata da QBO, MJO e variabilità solare rende difficile isolare la teleconnessione in un record osservativo relativamente breve. La diversità degli eventi ENSO rappresenta un problema particolarmente importante perché la posizione longitudinale della convezione tropicale può cambiare profondamente la risposta PNA e quindi la quantità di attività ondulatoria inviata verso la stratosfera.
La conseguenza metodologica è che l’utilizzo di un unico indice ENSO, come Niño-3.4, è estremamente utile ma non sempre sufficiente per interpretare la risposta della stratosfera. Due eventi con lo stesso valore medio di Niño-3.4 possono avere strutture spaziali molto differenti e generare teleconnessioni extratropicali diverse. Analogamente, una semplice classificazione QBO-E/QBO-W a un unico livello può non rappresentare completamente lo stato stratosferico tropicale attraverso il quale deve propagarsi il segnale ENSO. Le analisi più robuste devono quindi considerare contemporaneamente intensità e struttura spaziale dell’ENSO, struttura verticale della QBO, stagione, stato del vortice e caratteristiche del forcing ondulatorio.
Nel complesso, le evidenze accumulate dagli studi osservativi, dalle rianalisi e dai modelli indicano che ENSO esercita una reale influenza sulla stratosfera invernale dell’Emisfero Settentrionale. Il percorso dominante durante El Niño comprende una modificazione della convezione nel Pacifico tropicale, la generazione di teleconnessioni troposferiche di tipo PNA, la modifica dell’onda planetaria climatologica, un aumento mediamente osservato della propagazione delle onde verso la stratosfera, una maggiore convergenza del flusso di Eliassen–Palm e un indebolimento del vortice polare. Parallelamente, viene rafforzata la circolazione di Brewer–Dobson, con raffreddamento della bassa stratosfera tropicale e riscaldamento dinamico alle alte latitudini.
La risposta di La Niña tende frequentemente ad avere segno opposto nello stato medio, ma è meno robusta e non può essere considerata semplicemente speculare. Gli SSW illustrano in modo particolarmente evidente questa non linearità: nonostante il vortice medio sia generalmente più debole durante El Niño, le osservazioni mostrano che grandi riscaldamenti possono verificarsi anche frequentemente durante La Niña. La presenza della QBO modifica ulteriormente questa relazione, poiché il forcing ENSO delle onde troposferiche e la modulazione QBO delle condizioni di propagazione stratosferica possono rafforzarsi oppure contrastarsi. Gli esperimenti modellistici indicano che questa interazione può essere sostanzialmente non lineare.
ENSO deve pertanto essere interpretato non come un controllo deterministico del vortice polare, ma come uno dei principali fattori che modificano la probabilità con cui la stratosfera evolve verso stati più o meno disturbati. Il suo effetto dipende dalla posizione delle anomalie tropicali, dalla risposta PNA, dalla quantità di attività ondulatoria verticale, dalla fase della QBO e dallo stato iniziale della circolazione stratosferica. Questa concezione probabilistica permette di conciliare la robusta tendenza media verso un vortice più debole durante El Niño con l’esistenza di El Niño accompagnati da vortici eccezionalmente forti e di La Niña durante le quali si verificano SSW molto intensi.
La principale lezione che emerge dalla letteratura è quindi che la risposta polare non può essere attribuita isolatamente né all’ENSO né alla QBO. Entrambi rappresentano componenti di un sistema atmosferico accoppiato nel quale la troposfera tropicale modifica le sorgenti delle onde, la stratosfera tropicale ne condiziona la propagazione e il vortice polare risponde non linearmente alla quantità e alla distribuzione temporale del momento ondulatorio ricevuto. Proprio questa interazione spiega perché la separazione statistica tra ENSO e QBO fosse così problematica nei primi studi e perché essa continui ancora oggi a costituire un tema centrale per la comprensione della variabilità interannuale e decadale del vortice. La possibilità che la stratosfera restituisca poi parte del segnale alla troposfera, influenzando NAM, NAO e quindi la circolazione nordatlantica ed europea, completa una catena di teleconnessioni che collega il Pacifico tropicale alla stratosfera polare e nuovamente alla superficie. È questa struttura dinamica profondamente accoppiata, piuttosto che una semplice correlazione tra indici climatici, a rendere l’interazione ENSO–QBO uno degli aspetti più importanti e complessi della prevedibilità della stratosfera invernale.
2.6. Sintesi degli studi osservativi
L’insieme degli studi osservativi condotti nell’arco di oltre mezzo secolo mostra che la Quasi-Biennial Oscillation non costituisce soltanto un’oscillazione confinata alla stratosfera tropicale, ma è associata a una complessa rete di teleconnessioni che raggiunge le medie e alte latitudini di entrambi gli emisferi e, in determinate stagioni e regioni, può estendersi fino alla troposfera e alla superficie. Una delle manifestazioni più importanti di questo accoppiamento è rappresentata dalla relazione tra la fase della QBO e l’intensità del vortice polare stratosferico, tradizionalmente indicata come effetto Holton–Tan. Nell’Emisfero Settentrionale, la fase orientale della QBO nella bassa stratosfera tropicale tende statisticamente a essere associata a un vortice polare boreale più debole e a una stratosfera polare più calda, mentre la fase occidentale tende a essere associata a un vortice più intenso e più freddo. Le moderne rianalisi continuano a mostrare questa relazione: una revisione della dinamica stratosferica basata anche su ERA5 per il periodo 1979–2020 evidenzia una risposta QBO del vortice su una grande profondità verticale, confermando che l’effetto osservato originariamente da Holton e Tan non era semplicemente una peculiarità del loro breve campione iniziale. Al tempo stesso, il meccanismo preciso attraverso cui la QBO produce questa risposta non è ancora completamente risolto.
La natura verticalmente profonda della risposta è un aspetto essenziale. Le anomalie associate alla QBO non rimangono concentrate in prossimità della quota utilizzata per definirne la fase, ma interessano una parte considerevole della stratosfera extratropicale. Nell’Emisfero Settentrionale la risposta può coinvolgere la media e alta stratosfera e successivamente estendersi verso quote inferiori; nell’Emisfero Australe il segnale presenta invece una stagionalità differente e tende a emergere con maggiore evidenza durante la tarda stagione invernale e soprattutto durante la primavera australe. Anche il livello tropicale che meglio discrimina statisticamente la risposta non è identico nei due emisferi: intorno a 50 hPa nel caso boreale e più vicino a 20–30 hPa nel caso australe. Questa differenza non implica che tali quote costituiscano punti di origine causale della teleconnessione; esse rappresentano piuttosto indicatori empirici di particolari configurazioni verticali della QBO che risultano maggiormente correlate con lo stato del vortice. La letteratura più recente continua infatti a sottolineare che non è ancora possibile stabilire in maniera univoca quale livello della QBO debba essere considerato fisicamente dominante.
Questo problema della definizione della fase è tutt’altro che secondario. La QBO è costituita da regimi alternati di venti orientali e occidentali che propagano lentamente verso il basso e che possono presentare contemporaneamente segni differenti a diverse quote. Pertanto, classificare un inverno come QBO-E o QBO-W utilizzando esclusivamente il vento a 50 hPa significa comprimere una struttura verticale complessa in un solo indice. Due inverni classificati allo stesso modo a 50 hPa possono avere condizioni molto differenti a 30, 20 o 10 hPa e quindi modificare in modo diverso la rifrazione e la propagazione delle onde planetarie. Questo aiuta a spiegare perché l’ampiezza della relazione QBO–vortice possa dipendere sensibilmente dal livello scelto, dal mese considerato e dalla fase dell’evoluzione stagionale del vortice. Gli esperimenti numerici e gli studi osservativi più recenti mostrano inoltre che la teleconnessione extratropicale non può essere ridotta al solo spostamento della linea di vento zonale nullo: intervengono anche la circolazione meridionale secondaria associata alla QBO, le modificazioni dell’indice di rifrazione delle onde di Rossby e la conseguente redistribuzione della convergenza del flusso di Eliassen–Palm.
In questo senso, la QBO deve essere interpretata soprattutto come un modulatore della variabilità dinamica naturale della stratosfera extratropicale. Il vortice polare possiede infatti una grande variabilità interna anche in assenza di variazioni della QBO. Le onde planetarie generate nella troposfera si propagano nella stratosfera con intensità estremamente variabile da un inverno all’altro, e la loro interazione con il flusso medio può determinare rapide accelerazioni o decelerazioni del vortice, fino alla comparsa dei major Sudden Stratospheric Warmings. La QBO non “crea” questa variabilità, ma modifica il background dinamico nel quale le onde si propagano e può quindi spostare statisticamente la distribuzione del vortice verso stati più deboli oppure più intensi. È proprio questa interpretazione probabilistica a risultare maggiormente coerente con le osservazioni: QBO-E aumenta la probabilità di un vortice debole, ma non rende inevitabile un SSW; QBO-W favorisce statisticamente un vortice più intenso, ma non impedisce che il vortice venga fortemente disturbato da un episodio eccezionale di forcing ondulatorio.
Gli studi condotti dopo il lavoro originario di Holton e Tan hanno inoltre chiarito che il segnale della QBO non è perfettamente zonalmente simmetrico. Sebbene la risposta media zonale sia una delle sue caratteristiche più evidenti, la struttura longitudinale delle onde planetarie e la distribuzione delle sorgenti troposferiche determinano importanti differenze regionali. Analisi delle forzanti ondulatorie e dei flussi di vorticità potenziale mostrano che la risposta QBO del vortice deriva da modificazioni nella propagazione e nella dissipazione delle onde piuttosto che da una semplice regolazione uniforme del vento zonale. Ciò rende naturale attendersi che la teleconnessione cambi con la longitudine, con la stagione e con lo stato della troposfera sottostante.
La relazione tra stratosfera e troposfera rappresenta il passaggio successivo della teleconnessione. Le anomalie del vortice polare possiedono infatti una marcata relazione con i modi anulari della circolazione atmosferica. Quando il vortice è persistentemente debole, le anomalie stratosferiche possono propagarsi verso il basso e risultare associate a una fase negativa della Northern Annular Mode e, nel settore atlantico, della North Atlantic Oscillation. Al contrario, un vortice forte è frequentemente associato a una maggiore probabilità di configurazioni positive della NAM e della NAO. Questo comportamento fornisce un meccanismo plausibile attraverso cui una perturbazione originata nella stratosfera equatoriale può essere associata, settimane o mesi più tardi, a cambiamenti della circolazione troposferica delle medie latitudini.
Le analisi moderne hanno confermato che durante QBO-E la risposta superficiale boreale tende, soprattutto nel cuore dell’inverno, a proiettarsi verso una configurazione NAO negativa, mentre durante QBO-W aumenta la preferenza per condizioni relativamente più positive della NAO. Il segnale presenta un massimo stagionale particolarmente evidente attorno a gennaio nel settore nordatlantico–europeo. Esperimenti nei quali la QBO viene imposta artificialmente mostrano inoltre che la risposta prossima alla superficie non compare immediatamente: occorre tempo perché la perturbazione stratosferica modifichi il vortice e perché le anomalie vengano comunicate alla troposfera. In alcune simulazioni una configurazione di tipo NAO diventa chiaramente riconoscibile solo dopo alcune settimane.
Tuttavia, neppure questo percorso può essere interpretato come una semplice sequenza QBO–vortice–NAO valida in ogni inverno. Studi recenti mostrano che esistono più vie attraverso cui la QBO può influenzare la troposfera. Una parte della risposta nordatlantica sembra effettivamente essere mediata dal vortice polare e dagli SSW, ma altre teleconnessioni possono coinvolgere direttamente le regioni tropicali e subtropicali, modificando i jet, la convezione e l’attività delle onde troposferiche. Un esperimento pubblicato nel 2024 ha mostrato, per esempio, che la tendenza verso una NAO negativa durante QBO-E è fortemente legata alla maggiore frequenza di SSW, mentre alcune anomalie di temperatura superficiale sull’Asia si sviluppano anche quando gli SSW vengono esclusi. Ciò indica che la risposta superficiale della QBO non possiede un unico percorso dinamico.
Questa distinzione permette di reinterpretare con maggiore prudenza i risultati pionieristici di Coughlin e Tung e di Thompson et al., i quali avevano identificato periodicità compatibili con la QBO in lunghe serie di pressione al livello del mare e temperatura superficiale e avevano mostrato un legame tra QBO e regimi meteorologici boreali. Tali risultati rimangono importanti perché suggeriscono che il segnale della QBO può raggiungere la superficie, ma la semplice presenza di una periodicità quasi-biennale o di una correlazione non dimostra che tutto il segnale superficiale sia trasmesso attraverso il vortice. La troposfera possiede infatti una propria variabilità interna su scale analoghe, e il sistema QBO–stratosfera–troposfera può contenere sia percorsi polari sia percorsi tropicali e subtropicali. Le simulazioni climatiche moderne mostrano esplicitamente questa pluralità di meccanismi.
Un aspetto particolarmente significativo è che la risposta osservata del vortice alla QBO tende a essere più intensa di quella simulata da numerosi modelli climatici. Le analisi multimodello della QBO Initiative e dei modelli CMIP6 mostrano che molti sistemi riescono a riprodurre qualitativamente il segno dell’effetto Holton–Tan, ma ne sottostimano l’ampiezza. Anche alcuni sistemi di previsione subseasonal riproducono inizialmente la relazione QBO–vortice, ma le anomalie decadono troppo rapidamente e dopo alcune settimane risultano spesso più deboli rispetto alle rianalisi. Questa discrepanza suggerisce che la rappresentazione della QBO, delle onde planetarie, del drag da onde di gravità e dell’accoppiamento stratosfera–troposfera rimanga incompleta in molti modelli.
La presenza di una teleconnessione robusta in media non implica però che la sua intensità sia costante nel tempo. Già Kodera e successivamente Lu et al. osservarono che la correlazione QBO–vortice sembra attraversare periodi nei quali è molto evidente e altri nei quali appare notevolmente più debole. Questo comportamento ha generato il dibattito sulla cosiddetta variabilità quasi-decennale dell’accoppiamento QBO–vortice. Diverse spiegazioni sono state proposte: interferenza con il ciclo solare di circa undici anni, modulazione da parte dell’ENSO, variazioni nell’allineamento stagionale delle fasi della QBO e semplice variabilità interna della stratosfera. Nessuna di queste spiegazioni può essere considerata universalmente sufficiente.
Il ciclo solare rappresenta un candidato particolarmente interessante perché la radiazione ultravioletta varia in modo sistematico tra minimo e massimo solare e modifica la temperatura e l’ozono nella stratosfera superiore. Studi osservativi hanno mostrato che la relazione tra attività solare e vortice può diventare più evidente quando i dati vengono suddivisi in base alla fase della QBO. Tuttavia, il numero di cicli solari indipendenti coperti da osservazioni stratosferiche affidabili rimane piccolo e la sensibilità dei risultati al livello scelto per definire la QBO rende difficile stabilire quanto della modulazione quasi-decennale sia realmente attribuibile al forcing solare. La correlazione statistica non può quindi essere interpretata automaticamente come dimostrazione di causalità.
ENSO costituisce un secondo grande fattore confondente. El Niño tende mediamente a favorire un aumento della propagazione di onde planetarie verso la stratosfera e un vortice boreale più debole, mentre La Niña è frequentemente associata a condizioni opposte, sebbene la risposta sia asimmetrica e non completamente lineare. Inoltre, la relazione ENSO–vortice stessa è non stazionaria: la sua intensità cambia sensibilmente tra differenti periodi del record osservativo. Poiché ENSO e QBO possono temporaneamente assumere configurazioni che rafforzano o contrastano le rispettive influenze, la correlazione apparente tra QBO e vortice può variare anche senza che il meccanismo Holton–Tan sia fisicamente cambiato.
La variabilità interna rappresenta probabilmente un elemento altrettanto importante. Esperimenti climatici molto lunghi, realizzati con condizioni al contorno fisse o quasi fisse, possono generare spontaneamente variazioni decadali e multidecadali dell’intensità del vortice e della frequenza degli SSW. Questo dimostra che non ogni variazione decadale osservata necessita di un forcing esterno. La dinamica non lineare dell’interazione onde–flusso medio può produrre autonomamente periodi caratterizzati da vortici mediamente forti o deboli e può quindi alterare temporaneamente l’intensità statistica dell’effetto QBO.
Questo punto è cruciale nell’interpretazione delle serie osservative. Anche disponendo oggi di record molto più lunghi rispetto ai 16 anni utilizzati da Holton e Tan, il numero di realizzazioni indipendenti rimane relativamente limitato quando i dati vengono ulteriormente suddivisi per fase QBO, fase ENSO, attività solare, presenza o assenza di SSW e periodo stagionale. Un campione di alcune decine di inverni può rapidamente trasformarsi in gruppi costituiti da meno di dieci casi. La stima della media e della significatività statistica diventa allora fortemente sensibile alla presenza di uno o due inverni eccezionali. Questa difficoltà costituisce ancora oggi uno dei principali limiti nello studio osservativo delle teleconnessioni stratosferiche. La letteratura recente continua esplicitamente a sottolineare che la brevità del record impedisce di stabilire con certezza se alcune caratteristiche della stagionalità osservata siano dinamicamente forzate oppure semplicemente campionate accidentalmente.
La questione è ulteriormente complicata dal fatto che la stessa QBO non è un oscillatore perfettamente regolare. Le interruzioni osservate nel 2015–2016 e nel 2019–2020 hanno dimostrato che la sua progressione verticale può essere profondamente perturbata da flussi di quantità di moto provenienti dalle extratropiche. Durante questi episodi la sequenza discendente normalmente prevedibile dei venti orientali e occidentali è stata temporaneamente alterata e la fase successiva è riemersa spostata rispetto alla traiettoria che ci si sarebbe aspettati da un’evoluzione indisturbata. Questi eventi hanno mostrato concretamente che il collegamento tra tropici ed extratropici non è unidirezionale: la QBO influenza le medie e alte latitudini, ma la dinamica extratropicale può a sua volta perturbare la QBO.
La scoperta di queste interruzioni rende ancora più evidente la necessità di non trattare la QBO come una semplice sinusoide con periodo fisso. La durata media prossima a 28 mesi nasconde considerevoli variazioni da un ciclo all’altro, differenze nella velocità di discesa delle fasi e cambiamenti nella profondità verticale dei regimi orientali e occidentali. Poiché la risposta extratropicale dipende dalla struttura verticale della QBO, tali variazioni possono contribuire naturalmente alle fluttuazioni della teleconnessione su scale temporali più lunghe.
L’osservazione che la QBO possa modulare la troposfera anche attraverso percorsi diversi da quello polare aggiunge un’altra dimensione al problema. Studi recenti hanno identificato relazioni della QBO con i jet subtropicali, la convezione tropicale, la Madden–Julian Oscillation e diversi aspetti della precipitazione tropicale. Questi percorsi possono a loro volta modificare le onde troposferiche che raggiungono le medie latitudini e quindi interferire con la risposta propagata attraverso il vortice. La distinzione classica tra una stratosfera tropicale che “forza” la stratosfera polare e una successiva propagazione verso il basso è pertanto oggi sostituita da una visione più ampia, nella quale più percorsi dinamici interagiscono contemporaneamente.
Anche nell’Emisfero Australe il quadro osservativo è diventato più chiaro rispetto agli studi originari. La risposta alla QBO esiste, ma la maggiore intensità e stabilità del vortice antartico spostano il massimo della teleconnessione verso la primavera. Durante la fase orientale della QBO intorno a 20–30 hPa il final warming australe tende mediamente a verificarsi prima, mentre QBO-W è associata a una maggiore persistenza del vortice. Questo comportamento differisce dal massimo boreale, che emerge soprattutto tra l’inizio e la parte centrale dell’inverno, e costituisce un’ulteriore dimostrazione del fatto che il background stagionale è determinante per la risposta.
Nel complesso, gli studi osservativi sostengono quindi con buona evidenza l’esistenza di una teleconnessione tra QBO e vortice polare, soprattutto nell’Emisfero Settentrionale. L’effetto Holton–Tan è stato ritrovato in serie molto più lunghe rispetto al campione originario, nelle moderne rianalisi e in numerosi studi modellistici. Tuttavia, la relazione deve essere interpretata statisticamente e non deterministicamente. La QBO modifica la probabilità che il vortice assuma uno stato forte o debole attraverso l’interazione con la propagazione delle onde planetarie, ma l’evoluzione di ogni singolo inverno rimane fortemente condizionata dalla variabilità troposferica e stratosferica interna.
Le evidenze contemporanee rafforzano anche la distinzione tra robustezza del segno della teleconnessione e incertezza sulla sua ampiezza. È relativamente ben stabilito che QBO-E favorisce statisticamente un vortice boreale più debole e che QBO-W favorisce uno stato più intenso; è molto meno certo quanto grande debba essere questa differenza in un determinato periodo e quale porzione della risposta superficiale possa essere attribuita esclusivamente al percorso stratosferico. I modelli QBO-resolving tendono infatti a simulare un effetto Holton–Tan più debole rispetto alle osservazioni, ricordando che la stima osservativa stessa potrebbe essere influenzata dal campionamento limitato oppure che i modelli non rappresentano ancora pienamente i meccanismi responsabili della teleconnessione.
Da questo punto di vista, la variabilità quasi-decennale dell’accoppiamento QBO–vortice rappresenta forse la questione osservativa più difficile da interpretare. Una parte può derivare dal battimento tra QBO e ciclo annuale e dal cambiamento dell’allineamento stagionale delle sue fasi; una parte può riflettere ENSO o ciclo solare; un’altra può essere prodotta autonomamente dalla variabilità interna della stratosfera. Questi meccanismi non sono necessariamente alternativi. Possono operare simultaneamente e modificare reciprocamente il segnale osservato. Il vero problema scientifico non è quindi stabilire quale di essi sia “la causa” della variabilità decadale, ma quantificare il contributo relativo di ciascuno e comprendere come essi interagiscano.
La separazione statistica rimane particolarmente difficile perché le principali sorgenti di variabilità non sono perfettamente ortogonali. QBO, ENSO, ciclo solare e vortice possiedono periodicità differenti ma possono casualmente assumere combinazioni ricorrenti all’interno di un record breve. Inoltre, le eruzioni vulcaniche modificano profondamente la temperatura stratosferica, gli SSW introducono anomalie di grande ampiezza e la scelta del livello utilizzato per classificare la QBO può cambiare significativamente il risultato. Ogni tentativo di suddividere ulteriormente il record aumenta il rischio che una relazione apparentemente robusta sia dominata da pochi eventi.
Per questa ragione, gli studi moderni tendono sempre più ad affiancare alle osservazioni grandi ensemble di simulazioni, esperimenti di nudging e integrazioni climatiche plurisecolari. Questi strumenti permettono di generare molte più realizzazioni statisticamente indipendenti e di modificare selettivamente QBO, ENSO o altri forcing. Le simulazioni non sostituiscono le osservazioni, poiché possono presentare bias significativi, ma consentono di verificare se un meccanismo osservato in poche decine di anni emerge anche in campioni molto più grandi. L’evidenza che molti modelli riproducano qualitativamente l’effetto Holton–Tan ma con intensità inferiore a quella osservata costituisce proprio uno dei problemi più interessanti ancora aperti.
In definitiva, la sintesi delle evidenze osservazionali porta a una visione della QBO molto più ampia rispetto a quella di una semplice alternanza di venti tropicali. Essa costituisce una sorgente di prevedibilità stagionale perché la sua evoluzione è relativamente lenta e generalmente prevedibile con largo anticipo, ma il valore predittivo delle sue teleconnessioni dipende dalla capacità di rappresentare correttamente lo stato del vortice, la propagazione delle onde, ENSO e gli altri elementi della circolazione. Anche i sistemi subseasonal più avanzati mostrano che la risposta QBO del vortice può essere prevista nelle prime settimane, ma spesso ne sottostimano l’ampiezza successiva.
La conclusione fondamentale degli studi osservativi è pertanto che l’influenza extratropicale della QBO è reale, dinamicamente coerente e riconoscibile sia nella stratosfera boreale sia in quella australe, ma non può essere considerata una relazione semplice o invariabile. La QBO modifica l’ambiente attraverso il quale si propagano le onde planetarie, interagisce con la circolazione meridionale e altera statisticamente l’evoluzione del vortice; le anomalie stratosferiche possono successivamente contribuire alla variabilità dei modi anulari e della circolazione superficiale. Tuttavia, l’intensità di questa catena dipende dalla struttura verticale e dalla fase stagionale della QBO, dallo stato del vortice, dal forcing ondulatorio troposferico, dall’ENSO, dal ciclo solare e dalla stessa variabilità interna dell’atmosfera. La persistenza dell’effetto Holton–Tan nelle moderne rianalisi costituisce una delle evidenze più importanti dell’accoppiamento dinamico tra tropici e alte latitudini; allo stesso tempo, la sua variabilità da un decennio all’altro e la difficoltà di separarla dalle altre sorgenti di variabilità ricordano che la stratosfera invernale deve essere considerata come un sistema dinamico accoppiato e non lineare, nel quale la QBO agisce soprattutto modificando le probabilità dei diversi stati atmosferici anziché imponendo deterministicamente l’evoluzione di un singolo inverno.
3. Studi di modellistica
Lo studio delle teleconnessioni associate alla Quasi-Biennial Oscillation pone un problema metodologico fondamentale: l’atmosfera reale è un sistema aperto, fortemente accoppiato e caratterizzato dalla sovrapposizione simultanea di molteplici sorgenti di variabilità. QBO, ENSO, ciclo solare, onde planetarie generate nella troposfera, variabilità interna del vortice polare, riscaldamenti stratosferici improvvisi e condizioni della superficie oceanica agiscono contemporaneamente e possono produrre segnali parzialmente sovrapposti. In un simile contesto, l’esistenza di una correlazione osservativa tra la fase della QBO e lo stato del vortice polare non consente, da sola, di stabilire una relazione causale univoca. È precisamente in questo punto che la modellistica atmosferica assume un ruolo insostituibile: modificando in maniera controllata uno o pochi elementi del sistema e mantenendo costanti gli altri, è possibile verificare direttamente ipotesi dinamiche che nelle osservazioni non potrebbero essere isolate. La modellistica non elimina naturalmente le incertezze, perché ogni modello rappresenta soltanto un’approssimazione dell’atmosfera reale, ma permette di trasformare una semplice associazione statistica in un problema dinamico verificabile.
La distinzione tradizionale tra modelli meccanicistici e modelli di circolazione generale, GCM, deve essere interpretata come una differenza di complessità e finalità piuttosto che come una separazione assoluta tra due categorie di modelli. I modelli meccanicistici sono costruiti deliberatamente per isolare un numero ristretto di processi. Possono integrare le equazioni primitive dell’atmosfera su una sfera e quindi mantenere una dinamica tridimensionale relativamente sofisticata, ma utilizzano rappresentazioni semplificate della radiazione, della troposfera, della convezione e delle sorgenti ondulatorie. Un tipico esperimento meccanicistico può, per esempio, rilassare la temperatura verso un profilo radiativo prescritto attraverso un raffreddamento newtoniano e imporre alla tropopausa un’onda planetaria di ampiezza controllata. Il vantaggio è evidente: se introducendo esclusivamente una perturbazione QBO nei venti tropicali il vortice cambia sistematicamente, è possibile attribuire con molta maggiore sicurezza tale risposta alla perturbazione imposta. Il prezzo di questa chiarezza causale è una minore rappresentatività dell’atmosfera reale.
I GCM e, più recentemente, i modelli del sistema Terra e i chemistry–climate models, occupano l’estremo opposto della gerarchia. Essi includono una troposfera dinamicamente attiva, superficie terrestre e oceanica, cicli stagionali realistici, parametrizzazioni radiative più complete, convezione, processi delle nubi, onde di gravità, talvolta chimica stratosferica interattiva e, nei modelli accoppiati, un oceano dinamico. Questa maggiore completezza consente di rappresentare simultaneamente la QBO, ENSO, ciclo solare, variabilità del vortice e possibili feedback troposfera–stratosfera. Tuttavia, proprio questa ricchezza rende più difficile identificare quale processo sia responsabile di una determinata risposta. In un GCM realistico, per esempio, una differenza tra due compositi QBO può essere mediata dal vortice polare, dal getto subtropicale, dalla convezione tropicale o da modificazioni della propagazione delle onde troposferiche. Per questo motivo l’approccio più efficace non consiste nell’opporre modelli semplici e complessi, ma nell’utilizzare una vera e propria gerarchia di modelli, passando progressivamente da configurazioni idealizzate a sistemi climatici completi.
Questa strategia è stata particolarmente importante per comprendere l’effetto Holton–Tan. Le osservazioni indicano che nell’Emisfero Settentrionale il vortice polare tende a essere più debole durante la fase orientale della QBO nella bassa stratosfera e più forte durante la fase occidentale. Tuttavia, il meccanismo capace di trasformare una differenza del vento tropicale in una risposta della circolazione polare non emerge direttamente dalle correlazioni. L’interpretazione originaria proposta da Holton e Tan attribuiva un ruolo fondamentale alla modifica delle condizioni di propagazione delle onde planetarie in prossimità dei subtropici: la QBO sposterebbe la regione di venti deboli o orientali e modificherebbe così la rifrazione delle onde di Rossby, determinando differenze nella quantità di attività ondulatoria che raggiunge le alte latitudini. La letteratura successiva ha tuttavia mostrato che questa spiegazione, pur contenendo un elemento reale, non è sufficiente a descrivere l’intero processo.
I primi esperimenti meccanicistici furono fondamentali proprio perché permisero di controllare indipendentemente l’intensità delle onde planetarie e lo stato della QBO. Holton e Austin mostrarono che una perturbazione QBO poteva produrre una risposta rilevante del vortice soltanto all’interno di determinati intervalli del forcing ondulatorio imposto. Questo risultato introdusse un principio che rimane centrale nella ricerca contemporanea: l’effetto della QBO non è indipendente dallo stato del vortice e dall’intensità delle onde planetarie. Quando il forcing ondulatorio è molto debole, la perturbazione tropicale può non essere sufficiente a modificare significativamente il vortice; quando è estremamente forte, la dinamica ondulatoria può dominare la risposta e mascherare la modulazione QBO. Il segnale tende quindi a emergere maggiormente in uno stato intermedio, nel quale piccole variazioni delle condizioni di propagazione possono modificare sensibilmente l’evoluzione del vortice.
Questa dipendenza dallo stato di fondo rappresenta una proprietà tipica dei sistemi dinamici non lineari e permette di comprendere perché l’effetto Holton–Tan sia statisticamente robusto ma altamente variabile da un inverno all’altro. La QBO non agisce come un forcing che determina direttamente una specifica velocità del vortice. Essa modifica piuttosto il mezzo attraverso il quale si propagano le onde planetarie e quindi altera la probabilità che il vortice venga maggiormente o minormente decelerato. I modelli meccanicistici sono particolarmente adatti a dimostrare questa distinzione, poiché consentono di imporre la stessa sorgente di onde in presenza di differenti configurazioni QBO.
Un importante passo avanti è stato ottenuto attraverso esperimenti con modelli dinamicamente più completi, come il Whole Atmosphere Community Climate Model, WACCM. Garfinkel et al. hanno utilizzato simulazioni nelle quali la temperatura superficiale oceanica, il forcing radiativo e gran parte delle condizioni esterne venivano mantenuti fissi, mentre venivano modificate specificamente le anomalie del vento tropicale associate alla QBO. Questo approccio conserva una troposfera dinamicamente attiva ma elimina numerose sorgenti concorrenti di variabilità, rappresentando quindi una configurazione intermedia tra un modello meccanicistico classico e un GCM climatico completamente libero. I risultati mostrarono che la risposta del vortice alla QBO coinvolge almeno due regioni dinamicamente distinte. Nella bassa stratosfera subtropicale, i venti orientali equatoriali possono modificare la posizione della regione critica e la convergenza delle onde sinottiche in modo qualitativamente coerente con l’idea originale di Holton e Tan. Nella stratosfera superiore e alle medie latitudini, tuttavia, la risposta appare maggiormente collegata alla circolazione meridionale secondaria associata alla QBO, che modifica l’indice di rifrazione delle onde planetarie e riduce la loro propagazione equatorward, favorendone la deposizione di momento più vicino al vortice polare.
Questi risultati hanno modificato significativamente la concezione tradizionale dell’effetto Holton–Tan. Non sembra esistere un singolo “interruttore” dinamico mediante il quale la QBO controlli il vortice. Il processo comprende invece una sequenza di modificazioni della circolazione tropicale e subtropicale, del vento zonale medio, della rifrazione delle onde e della circolazione meridionale residua. Il segnale iniziale tropicale può quindi influenzare le onde planetarie in regioni differenti della stratosfera, e queste modificazioni possono interagire tra loro prima che emerga la risposta alle alte latitudini. Questa visione è coerente con la moderna comprensione della stratosfera come sistema dominato dall’interazione onde–flusso medio.
Watson e Gray hanno successivamente affrontato il problema attraverso un approccio transiente. Invece di confrontare semplicemente due stati climatici equilibrati, introdussero la perturbazione QBO e seguirono l’evoluzione temporale della risposta del vortice. Il risultato fu particolarmente importante perché mostrò che, nelle prime fasi successive all’introduzione della QBO, la risposta delle onde e del vortice risultava compatibile con il meccanismo proposto originariamente da Holton e Tan. Ciò indicava che il meccanismo classico non doveva essere abbandonato, ma inserito in una catena dinamica più complessa, nella quale il segnale iniziale può successivamente essere modificato e amplificato da feedback tra onde e flusso medio.
L’uso di una gerarchia di modelli ha prodotto risultati importanti anche per comprendere la risposta troposferica della QBO. Garfinkel e Hartmann utilizzarono un modello secco basato sulle equazioni primitive per dimostrare che la QBO può influenzare la circolazione extratropicale troposferica anche in assenza di anomalie della convezione tropicale e senza richiedere necessariamente una forte variabilità del vortice polare. Le anomalie di quantità di moto associate alla QBO producono una circolazione meridionale necessaria a mantenere l’equilibrio del vento termico; le corrispondenti anomalie del vento possono estendersi dall’equatore stratosferico verso la troposfera subtropicale. Le onde sinottiche troposferiche interagiscono quindi con questa perturbazione del flusso medio e possono amplificarla fino alla superficie. In configurazioni longitudinalmente asimmetriche, la risposta risulta particolarmente forte nella regione d’uscita del getto subtropicale.
Esperimenti complementari con WACCM confermarono che una parte significativa della risposta troposferica può essere spiegata dall’interazione tra le anomalie zonalmente simmetriche associate alla QBO e gli eddies extratropicali. Nel modello, l’effetto appariva particolarmente robusto sul Pacifico settentrionale, in prossimità della regione d’uscita del jet. La variabilità del vortice stratosferico contribuiva soprattutto alla risposta atlantica, mentre non spiegava integralmente il segnale troposferico. Questo risultato costituisce un’importante correzione a una rappresentazione troppo semplice della teleconnessione QBO: non tutti gli effetti superficiali devono necessariamente seguire il percorso QBO–vortice polare–NAM/NAO. Possono esistere simultaneamente percorsi extratropicali più diretti, mediati dall’interazione tra jet subtropicale e onde troposferiche.
Questa pluralità di percorsi è stata ulteriormente sostenuta da studi recenti che analizzano la cosiddetta “via tropicale” delle teleconnessioni della QBO. Modelli climatici mostrano che la QBO può modificare la convezione tropicale, l’ITCZ, i monsoni, le nubi tropicali e la Madden–Julian Oscillation. Tali anomalie tropicali possono successivamente generare proprie teleconnessioni troposferiche verso le medie latitudini. Ne deriva un sistema nel quale la stessa perturbazione stratosferica tropicale può raggiungere la superficie attraverso almeno due famiglie di percorsi: una via extratropicale, che comprende vortice polare, onde planetarie e modi anulari, e una via tropicale, che coinvolge convezione, circolazione tropicale e successivi treni di onde di Rossby troposferiche.
I GCM completi diventano indispensabili proprio quando l’obiettivo non consiste più nell’isolare un singolo meccanismo, ma nel comprendere come la QBO interagisca con altre sorgenti di variabilità. ENSO costituisce un esempio particolarmente evidente. Nei modelli accoppiati, El Niño può modificare la convezione tropicale, intensificare o alterare il PNA, cambiare la propagazione delle onde planetarie verso la stratosfera e quindi indebolire il vortice. La QBO, agendo contemporaneamente sulla struttura del vento tropicale e subtropicale, può amplificare o attenuare questa risposta. Di conseguenza, un modello realistico deve simulare non soltanto la QBO e l’ENSO individualmente, ma anche il loro effetto combinato sullo spettro delle onde e sulla circolazione stratosferica. La letteratura mostra che la risposta di El Niño tende mediamente verso un vortice più debole e una Brewer–Dobson circulation più intensa, mentre quella di La Niña è spesso opposta ma meno robusta. La presenza della QBO rappresenta una delle cause della variabilità di questa teleconnessione.
Un discorso analogo riguarda il ciclo solare. I chemistry–climate models e i modelli high-top sono particolarmente adatti a questo problema perché possono rappresentare la variazione dell’irradianza ultravioletta, la risposta fotochimica dell’ozono e il conseguente cambiamento della temperatura nella stratosfera superiore. Il segnale radiativo solare può quindi interagire con la QBO attraverso le modificazioni del vento zonale e della propagazione ondulatoria. In un modello meccanicistico questi processi possono essere studiati separatamente, mentre un GCM o CCM permette di analizzarne la combinazione all’interno di una circolazione stagionale realistica. Anche in questo caso, tuttavia, la maggiore completezza fisica richiede ensemble sufficientemente grandi per distinguere la risposta forzata dalla grande variabilità interna del vortice.
Una delle principali difficoltà storiche della modellistica è stata la stessa simulazione della QBO. Una QBO realistica non emerge automaticamente in un GCM. L’oscillazione deriva dalla deposizione selettiva di quantità di moto da parte di un ampio spettro di onde equatoriali, dalle grandi onde Kelvin e mixed Rossby–gravity fino a onde di gravità su scale troppo piccole per essere risolte esplicitamente da molti modelli climatici. È quindi necessario che il modello possieda una sufficiente risoluzione verticale nella stratosfera e una rappresentazione adeguata del gravity-wave drag. Inoltre, la convezione tropicale deve generare uno spettro ondulatorio realistico. Le prime generazioni di chemistry–climate models incontravano notevoli difficoltà proprio su questi aspetti: alcune simulazioni non producevano alcuna QBO spontanea, altre generavano un’oscillazione troppo debole, troppo regolare o con una struttura verticale irrealistica.
La capacità di generare autonomamente una QBO realistica ha rappresentato pertanto uno dei progressi più importanti della modellistica della media atmosfera. Questo risultato è stato reso possibile dall’aumento della risoluzione verticale e orizzontale, dal miglioramento delle parametrizzazioni delle onde di gravità e, in alcuni modelli ad alta risoluzione, dalla possibilità di risolvere esplicitamente una porzione maggiore dello spettro ondulatorio. Tuttavia, la semplice presenza di un’oscillazione con periodo approssimativamente corretto non garantisce che il modello ne riproduca correttamente le teleconnessioni. Ampiezza, struttura verticale, velocità di discesa e latitudine delle anomalie QBO sono altrettanto importanti, poiché determinano come essa modifichi il campo di vento subtropicale e quindi la propagazione delle onde extratropicali.
La necessità di confrontare sistematicamente differenti modelli ha portato alla nascita della SPARC Quasi-Biennial Oscillation initiative, QBOi. Questa iniziativa ha organizzato una serie di esperimenti coordinati con numerosi modelli atmosferici capaci di simulare la QBO, utilizzando protocolli e diagnostiche comuni. Gli obiettivi comprendevano la valutazione della fedeltà della QBO simulata nelle condizioni climatiche attuali, lo studio della risposta dell’oscillazione a variazioni del forcing climatico e l’analisi della prevedibilità della QBO. Questo tipo di progetto rappresenta un passaggio metodologico fondamentale: anziché basarsi su un singolo modello, permette di stabilire quali caratteristiche siano robuste attraverso sistemi numerici indipendenti e quali dipendano invece fortemente dalla formulazione specifica del modello.
I risultati multimodello della QBOi hanno mostrato sia successi sia importanti limitazioni. La maggior parte dei modelli QBO-resolving riproduce qualitativamente l’effetto Holton–Tan nell’inverno boreale: quando i venti tropicali intorno a 50 hPa sono occidentali, il vortice tende mediamente a essere più forte; quando sono orientali, tende a essere più debole. Tuttavia, l’ampiezza della risposta simulata risulta generalmente inferiore rispetto alle osservazioni. Una delle possibili spiegazioni è che molti modelli producano anomalie QBO troppo deboli proprio nella regione della bassa stratosfera rilevante per la teleconnessione. Ciò dimostra che piccoli errori nella struttura tropicale possono essere amplificati lungo la catena di teleconnessione e produrre una risposta polare sottostimata.
Questo risultato ha implicazioni importanti anche per la previsione stagionale. La QBO possiede una prevedibilità relativamente elevata perché i regimi del vento propagano lentamente verso il basso e possono essere previsti con diversi mesi di anticipo. In teoria, le sue teleconnessioni dovrebbero quindi costituire una sorgente importante di skill stagionale. Tuttavia, questa potenzialità può essere sfruttata soltanto se il modello rappresenta correttamente il collegamento QBO–vortice e quello stratosfera–troposfera. Sistemi di previsione substagionale mostrano effettivamente una risposta del vortice alla fase QBO, ma in alcuni casi il segnale tende a indebolirsi troppo rapidamente rispetto alle rianalisi. Questo suggerisce che bias nella stratosfera, nella propagazione ondulatoria o nell’ampiezza stessa della QBO limitino ancora la capacità dei modelli di trasformare la prevedibilità tropicale in skill alle medie latitudini.
Un’altra importante lezione emersa dalla modellistica riguarda l’interpretazione causale della risposta superficiale. La presenza simultanea di una QBO e di una NAO anomala in un GCM non dimostra automaticamente che il vortice polare costituisca il percorso intermedio. Per verificare questa ipotesi occorrono esperimenti controllati nei quali il vortice venga artificialmente vincolato, la QBO imposta o rimossa, oppure determinate regioni del modello vengano rilassate verso una climatologia prescritta. Questi esperimenti di nudging permettono di interrompere selettivamente una parte della catena causale. Proprio grazie a questo tipo di approccio è emerso che la risposta QBO della troposfera può comprendere contemporaneamente una componente mediata dal vortice e una componente legata direttamente al getto subtropicale o alla convezione tropicale.
Questa conclusione costituisce un ottimo esempio del valore di una gerarchia modellistica. Un GCM completo può dimostrare che una teleconnessione emerge spontaneamente in un sistema realistico, ma un modello semplificato è spesso necessario per comprenderne la causa. Se entrambi producono una risposta simile, nonostante il modello semplice ometta convezione, chimica o oceano interattivo, i processi assenti non possono essere indispensabili per generare quella specifica caratteristica. Se invece la teleconnessione compare soltanto nel modello completo, occorre cercare quale processo aggiuntivo ne consenta l’emergere. Questo metodo di confronto permette di trasformare la complessità modellistica in uno strumento diagnostico.
È tuttavia necessario evitare l’errore opposto, cioè considerare un meccanismo dimostrato in un modello idealizzato automaticamente dominante nell’atmosfera reale. Un modello meccanicistico può dimostrare che un certo processo è sufficiente a generare una risposta, ma non che sia necessariamente il processo quantitativamente dominante nell’atmosfera. Per stabilirlo occorre verificare la stessa dinamica in modelli più completi e nelle osservazioni. In questo senso, l’apparente contrasto storico tra studi che sostenevano il meccanismo originale di Holton–Tan e studi che attribuivano maggiore importanza alla circolazione meridionale secondaria non deve essere necessariamente interpretato come una contraddizione. È plausibile che entrambi i processi contribuiscano in regioni e fasi temporali diverse della risposta. Watson e Gray, seguendo la risposta transiente, mostrarono infatti che il meccanismo classico può essere rilevante nelle fasi iniziali, mentre altri feedback diventano importanti successivamente.
Un’altra differenza sostanziale tra modelli meccanicistici e GCM riguarda la variabilità interna. Negli esperimenti idealizzati, questa può essere ridotta artificialmente o controllata attraverso un forcing ondulatorio prescritto. Nei GCM realistici, invece, la troposfera produce continuamente onde planetarie con ampiezza e fase variabili. Ne consegue che anche in un ensemble composto da molte simulazioni con la medesima fase QBO, alcuni membri possono sviluppare un vortice molto forte e altri un SSW. Il segnale della QBO emerge soltanto nella media dell’ensemble. Questa proprietà riproduce meglio la natura probabilistica della teleconnessione osservata, ma richiede ensemble numerosi per ottenere una stima robusta.
Da questo punto di vista, i grandi ensemble rappresentano un’evoluzione essenziale della modellistica moderna. Invece di confrontare una sola simulazione QBO-E con una sola QBO-W, vengono generate decine o centinaia di realizzazioni con condizioni iniziali leggermente differenti. Le differenze casuali nella dinamica troposferica tendono così a compensarsi, mentre il segnale sistematico imposto dalla QBO rimane. Il metodo permette di stimare non soltanto la variazione media del vortice, ma anche eventuali cambiamenti nella probabilità di SSW, nella distribuzione della NAM e nella risposta superficiale.
I modelli sono inoltre indispensabili per studiare periodi molto più lunghi del record osservativo. Le rianalisi moderne forniscono soltanto alcuni decenni di dati di qualità elevata, mentre una simulazione climatica può produrre centinaia o migliaia di inverni. Ciò permette di valutare se variazioni quasi-decennali dell’effetto Holton–Tan simili a quelle osservate possano emergere semplicemente per variabilità interna e campionamento. Se un modello con forcing esterni costanti produce spontaneamente intervalli di venti o trent’anni nei quali la relazione QBO–vortice sembra forte alternati ad altri in cui appare debole, allora non è necessario invocare automaticamente ciclo solare o ENSO per spiegare ogni variazione decadale osservata.
Allo stesso tempo, i GCM consentono di aggiungere selettivamente tali forcing e valutare come essi modifichino la teleconnessione. Si possono realizzare esperimenti con SST climatologiche e QBO variabile, con ENSO ma senza QBO, con ciclo solare fisso o variabile, oppure con tutte le sorgenti simultaneamente attive. Questa capacità rappresenta uno dei principali vantaggi rispetto alle osservazioni, nelle quali tali fattori non possono essere separati sperimentalmente.
L’evoluzione della modellistica negli ultimi decenni ha quindi modificato profondamente il modo di interpretare la QBO. I primi esperimenti cercavano soprattutto di stabilire se una perturbazione tropicale prescritta potesse produrre una risposta del vortice. Oggi la domanda è molto più articolata: quali componenti dello spettro ondulatorio sono essenziali, quale parte della struttura verticale della QBO controlla maggiormente la teleconnessione, quali percorsi raggiungono la troposfera, quanto la risposta dipende da ENSO e dal ciclo stagionale, e perché modelli differenti producono ampiezze differenti dell’effetto Holton–Tan. L’iniziativa QBOi rappresenta bene questa evoluzione, poiché pone l’attenzione non soltanto sull’esistenza della QBO simulata ma sulla fedeltà della sua struttura, delle sue teleconnessioni e della sua prevedibilità.
Rimane inoltre centrale il problema delle onde di gravità. Gran parte del forcing necessario a produrre e mantenere la QBO deriva da onde troppo piccole per essere direttamente risolte nelle normali configurazioni dei modelli climatici. Esse devono quindi essere parametrizzate. La scelta dello spettro, della velocità di fase, della sorgente e dei criteri di dissipazione può modificare significativamente periodo, ampiezza e propagazione discendente della QBO simulata. Poiché la teleconnessione extratropicale dipende proprio dalla struttura verticale del vento tropicale, gli errori nella parametrizzazione delle onde di gravità possono propagarsi fino al vortice polare e alla superficie. Il miglioramento della QBO nei modelli è quindi inseparabile dal miglioramento della rappresentazione delle onde atmosferiche.
La stessa considerazione vale per la risoluzione verticale. Una griglia troppo grossolana nella stratosfera tende a smussare le zone di shear della QBO e può ridurre l’ampiezza dei regimi orientali e occidentali. Modelli high-top dotati di numerosi livelli nella stratosfera e nella mesosfera permettono invece di rappresentare meglio non soltanto la QBO ma anche il vortice, la propagazione delle onde e la dinamica della stratopausa. Questa maggiore risoluzione è particolarmente importante quando si studiano teleconnessioni che coinvolgono la stratosfera superiore, come quelle associate alla componente più alta della QBO o al ciclo solare.
Nel complesso, gli studi di modellistica hanno quindi dimostrato che l’influenza extratropicale della QBO è dinamicamente plausibile e può essere generata senza richiedere necessariamente una correlazione fortuita con ENSO o altre sorgenti di variabilità. Modelli idealizzati mostrano che una perturbazione del vento tropicale è sufficiente a modificare la propagazione delle onde planetarie e il vortice; modelli più complessi dimostrano che lo stesso segnale emerge all’interno di una circolazione atmosferica realistica; gli ensemble multimodello mostrano che l’effetto Holton–Tan è riproducibile in sistemi indipendenti, sebbene generalmente con ampiezza inferiore a quella osservata.
La modellistica ha però mostrato con altrettanta chiarezza che non esiste un unico percorso attraverso cui la QBO influenza l’atmosfera extratropicale. La risposta può comprendere modificazioni della linea critica subtropicale, della circolazione meridionale secondaria, dell’indice di rifrazione delle onde planetarie, del vortice polare, dei jet troposferici e della convezione tropicale. Il peso relativo di questi processi dipende dalla quota, dalla stagione e dallo stato della circolazione. I risultati apparentemente differenti ottenuti da modelli diversi devono quindi essere interpretati non necessariamente come incompatibilità, ma come possibili manifestazioni di parti differenti della stessa catena dinamica.
La principale forza dei modelli meccanicistici rimane dunque la capacità di stabilire quali meccanismi siano sufficienti a produrre una risposta; la principale forza dei GCM è invece verificare se tali meccanismi sopravvivano quando vengono inseriti nella complessità dell’atmosfera reale. Un modello semplice offre chiarezza causale ma una rappresentazione incompleta; un modello completo offre maggiore realismo ma una causalità più difficile da isolare. L’utilizzo congiunto dei due approcci, completato da esperimenti di nudging, grandi ensemble e confronti multimodello come QBOi, rappresenta attualmente la strategia più robusta per comprendere la teleconnessione QBO–vortice e, più in generale, l’accoppiamento tra stratosfera tropicale, stratosfera polare e troposfera.
In questa prospettiva, il contributo più importante della modellistica non consiste semplicemente nell’essere riuscita a riprodurre statisticamente l’effetto Holton–Tan. Il risultato fondamentale è avere dimostrato che una perturbazione dei venti tropicali può modificare fisicamente l’ambiente di propagazione delle onde extratropicali e, attraverso una sequenza di interazioni onde–flusso medio, produrre una risposta del vortice polare e della troposfera. Rimangono tuttavia questioni essenziali ancora aperte: quali livelli della QBO contribuiscano maggiormente alla risposta, quale sia il peso relativo del meccanismo della linea critica rispetto alla circolazione meridionale secondaria, quanto della risposta superficiale passi effettivamente attraverso il vortice, perché molti modelli sottostimino l’ampiezza osservata della teleconnessione e come questa possa cambiare in un clima futuro. È proprio la combinazione tra esperimenti meccanicistici controllati, GCM sempre più completi e confronti multimodello sistematici a offrire la possibilità di affrontare progressivamente questi problemi e trasformare le correlazioni osservate tra QBO e circolazione extratropicale in una comprensione dinamica quantitativa dell’intero sistema atmosfera.
3.1. Modelli meccanicistici
Lo studio dell’influenza esercitata dalla Quasi-Biennial Oscillation sul vortice polare stratosferico rappresenta uno degli esempi più significativi di teleconnessione dinamica tra atmosfera tropicale ed extratropicale. Sebbene la QBO sia principalmente caratterizzata dall’alternanza di regimi di vento zonale orientale e occidentale nella stratosfera equatoriale, la sua influenza non rimane confinata alle basse latitudini, ma può estendersi fino alla stratosfera polare dell’emisfero settentrionale, modificando la propagazione delle onde planetarie, la struttura del vortice e, indirettamente, la probabilità e la tempistica dei riscaldamenti stratosferici improvvisi. Tale relazione viene comunemente identificata con il cosiddetto effetto Holton–Tan, secondo il quale la fase orientale della QBO nella bassa stratosfera tende a essere associata, in media, a un vortice polare boreale più debole e caldo, mentre la fase occidentale è generalmente accompagnata da un vortice più intenso, freddo e stabile. La letteratura successiva ha tuttavia dimostrato che questo collegamento non costituisce una semplice risposta lineare del vortice alla fase della QBO, ma emerge dall’interazione non lineare tra stato medio stratosferico, propagazione delle onde di Rossby, ciclo stagionale, rilassamento radiativo e variabilità interna dell’atmosfera. La stessa revisione di Anstey e Shepherd ha sottolineato come, nonostante decenni di osservazioni e sperimentazioni numeriche, l’identificazione di un unico meccanismo responsabile della teleconnessione QBO-vortice rimanga problematica.
I modelli meccanicistici hanno svolto un ruolo fondamentale nello sviluppo di questa interpretazione perché consentono di isolare singoli processi dinamici che, nell’atmosfera reale, agiscono simultaneamente. A differenza dei modelli climatici globali completi, essi permettono di prescrivere direttamente la struttura del vento equatoriale, l’intensità del forcing delle onde planetarie, il ciclo radiativo e altri elementi della circolazione, verificando così come il vortice reagisca alla variazione controllata di ciascuno di questi fattori. Uno dei primi tentativi fu quello di Bridger nel 1984, che utilizzò un modello globale tridimensionale dell’atmosfera media nel quale le onde planetarie venivano generate imponendo alla base della stratosfera perturbazioni zonalmente asimmetriche. In questo esperimento, l’introduzione di spessi strati di venti equatoriali orientali oppure occidentali non produsse una chiara dipendenza della frequenza degli SSW dalla fase della QBO. Tale risultato, apparentemente contrario all’effetto Holton–Tan, si rivelò in realtà fondamentale perché suggerì che la QBO non agisce semplicemente come un interruttore in grado di determinare autonomamente lo stato del vortice: affinché il suo segnale emerga, l’atmosfera deve trovarsi in un particolare regime dinamico.
Questo principio divenne molto più chiaro con gli esperimenti di Holton e Austin del 1991. Utilizzando un modello globale della stratosfera e mesosfera, gli autori variarono sistematicamente l’intensità del forcing delle onde planetarie provenienti dalla parte inferiore del dominio. Il risultato più importante fu l’identificazione di tre differenti regimi dinamici. Quando il forcing ondulatorio era molto debole, l’attività delle onde non era sufficiente a destabilizzare il vortice e non si verificavano riscaldamenti maggiori, indipendentemente dalla fase della QBO. All’estremo opposto, quando il forcing era molto intenso, la perturbazione del vortice diventava così forte da produrre SSW anche senza un contributo decisivo della QBO. Era invece nel regime intermedio che la fase dei venti equatoriali acquisiva importanza: in condizioni orientali, i riscaldamenti tendevano a verificarsi più precocemente e la variabilità ondulatoria risultava maggiore rispetto alle condizioni occidentali. L’effetto Holton–Tan appariva quindi come una modulazione della sensibilità del vortice piuttosto che come una causa indipendente degli SSW.
Questo risultato costituisce uno dei concetti più profondi emersi dalla modellistica meccanicistica: la QBO modifica lo stato di predisposizione della stratosfera alla perturbazione ondulatoria. In altre parole, non è corretto interpretare una fase orientale della QBO come garanzia di un riscaldamento stratosferico né una fase occidentale come garanzia di stabilità. Il vortice polare è un sistema dinamico fortemente non lineare, la cui evoluzione dipende dall’interazione tra forcing troposferico, struttura del vento stratosferico, propagazione delle onde planetarie e feedback onda-flusso medio. La QBO interviene modificando alcuni di questi elementi e può quindi rendere più o meno efficiente l’effetto di una determinata quantità di attività ondulatoria proveniente dalla troposfera. La revisione moderna sugli SSW conferma che, nelle osservazioni e nei modelli, gli inverni caratterizzati dalla fase orientale della QBO presentano in media un vortice più debole e una maggiore frequenza di SSW rispetto a quelli caratterizzati dalla fase occidentale, pur con una notevole variabilità da un inverno all’altro.
Gli esperimenti di O’Sullivan e Young del 1992 contribuirono a chiarire il meccanismo attraverso il quale una perturbazione confinata alle basse latitudini può influenzare la circolazione polare. Essi mostrarono che la risposta extratropicale risultava particolarmente sensibile alla posizione verticale, all’estensione latitudinale e allo spessore della perturbazione equatoriale. Quando i venti associati alla QBO erano collocati nella bassa stratosfera, la risposta del vortice era più intensa rispetto agli esperimenti nei quali la stessa struttura veniva spostata verso quote superiori. Inoltre, aumentando l’estensione latitudinale della perturbazione equatoriale aumentava considerevolmente anche l’ampiezza della risposta polare. Il collegamento tra tropici e alte latitudini veniva attribuito principalmente alla modificazione della propagazione delle onde planetarie di Rossby. Durante la fase orientale della QBO, la distribuzione del vento zonale nelle regioni subtropicali può modificare la posizione della zona nella quale il vento medio si avvicina allo zero e alterare così la geometria della guida d’onda stratosferica. Le onde planetarie provenienti dalle medie latitudini possono essere rifratte maggiormente verso il polo, aumentando l’interazione con il vortice e favorendone la decelerazione. Gli esperimenti di O’Sullivan e Young mostrarono esplicitamente che venti tropicali più orientali confinavano maggiormente le onde extratropicali verso nord e rendevano il vortice più disturbato.
In questo contesto assume un ruolo centrale la cosiddetta stratospheric surf zone, una vasta regione della stratosfera subtropicale e delle medie latitudini all’interno della quale le onde di Rossby possono diventare fortemente non lineari, deformarsi, rompersi e mescolare vorticità potenziale. Il concetto di surf zone è particolarmente importante perché consente di comprendere come un cambiamento inizialmente localizzato nelle regioni equatoriali possa influenzare progressivamente regioni molto lontane. Il frangimento delle onde modifica infatti la distribuzione del momento zonale e la struttura della circolazione media, mentre l’interazione tra onde e flusso modifica a sua volta le condizioni attraverso le quali le onde successive possono propagarsi. La teleconnessione QBO-vortice costituisce pertanto un problema di feedback dinamico, nel quale la QBO altera la guida d’onda, la guida d’onda condiziona la propagazione delle onde planetarie e queste ultime modificano il vortice, il quale a sua volta cambia l’ambiente di propagazione delle onde.
Il lavoro di O’Sullivan e Dunkerton del 1994 rafforzò ulteriormente questa interpretazione introducendo esplicitamente il ruolo del ciclo stagionale. Gli autori mostrarono che l’intensità del forcing planetario poteva comportarsi come un vero parametro di biforcazione del sistema. Al di sotto di una determinata intensità, il vortice rimaneva relativamente indisturbato; al di sopra di essa poteva invece passare rapidamente verso uno stato fortemente perturbato. La posizione di questa soglia dipendeva dalla fase della QBO: in condizioni orientali risultava sufficiente un forcing ondulatorio meno intenso per raggiungere il regime disturbato, mentre durante la fase occidentale era necessario un forcing maggiore. In questo senso la QBO può essere interpretata come un fattore che sposta la soglia dinamica oltre la quale il vortice diventa vulnerabile a una profonda perturbazione. Gli stessi esperimenti riprodussero un vortice più debole in condizioni di QBO orientale e uno più intenso nella fase occidentale, coerentemente con l’effetto Holton–Tan.
Il concetto di biforcazione è particolarmente utile perché spiega perché la relazione tra QBO e vortice non debba necessariamente emergere in ogni inverno. Quando il forcing troposferico è molto lontano dalla soglia critica, il contributo della QBO può risultare relativamente secondario. Quando invece il sistema si trova vicino alla transizione tra uno stato stabile e uno disturbato, anche una modifica apparentemente moderata della circolazione tropicale può modificare profondamente la successiva evoluzione stratosferica. La sensibilità del sistema alle condizioni iniziali e alla sequenza temporale degli impulsi ondulatori aiuta inoltre a spiegare perché inverni caratterizzati dalla medesima fase della QBO possano mostrare evoluzioni del vortice molto diverse.
Un ulteriore elemento emerso dagli studi meccanicistici riguarda il ruolo dello smorzamento radiativo. Il vortice polare invernale è continuamente soggetto a due tendenze antagoniste. Da un lato, il raffreddamento radiativo della notte polare favorisce lo sviluppo di un’intensa circolazione occidentale; dall’altro, la deposizione di momento da parte delle onde planetarie tende a decelerare tale circolazione e, attraverso la circolazione meridionale residua, a produrre subsidenza e riscaldamento dinamico alle alte latitudini. Il risultato finale dipende quindi dall’equilibrio tra forcing dinamico e ripristino radiativo. Esperimenti semplificati mostrarono che il frangimento delle onde di Rossby non produce necessariamente un indebolimento monotonico del vortice: in presenza di un adeguato rilassamento radiativo, la riorganizzazione della vorticità potenziale conseguente al wave breaking può in determinate circostanze contribuire anche a mantenere o temporaneamente rafforzare il getto polare. Ciò mette in evidenza la difficoltà di interpretare l’effetto della QBO considerando esclusivamente la quantità di attività ondulatoria, senza analizzare lo stato dinamico complessivo nel quale tale attività viene depositata.
La struttura verticale della QBO costituisce un ulteriore aspetto essenziale. I primi esperimenti rappresentavano frequentemente la QBO come un unico e profondo strato di venti orientali o occidentali, mentre nell’atmosfera reale essa presenta una struttura verticale molto più complessa, caratterizzata da regimi di vento di segno opposto sovrapposti verticalmente, separati da regioni di intenso shear che migrano lentamente verso il basso. Questa propagazione discendente costituisce una proprietà fondamentale della QBO e implica che una semplice classificazione basata sul vento a un singolo livello possa non descrivere completamente lo stato dinamico della stratosfera tropicale.
Gray e collaboratori affrontarono direttamente questo problema utilizzando configurazioni nelle quali i venti tropicali venivano vincolati verso osservazioni provenienti da radiosondaggi e rocketsonde. Confrontando perturbazioni limitate alla bassa e media stratosfera con configurazioni estese fino alla stratosfera superiore, essi trovarono che una QBO verticalmente profonda poteva produrre una risposta del vortice più intensa. Questo risultato suggeriva che la regione tropicale capace di influenzare il vortice non dovesse essere identificata esclusivamente con il livello tradizionalmente utilizzato per definire la fase della QBO, ma potesse estendersi attraverso gran parte della colonna stratosferica. La ragione dinamica risiede nelle grandi lunghezze d’onda verticali delle onde planetarie extratropicali, che permettono loro di interagire con la struttura del vento lungo una considerevole porzione della stratosfera.
Esperimenti successivi indicarono inoltre che differenti regioni verticali della QBO possono esercitare influenze diverse nelle varie fasi dell’inverno. Le anomalie della stratosfera tropicale inferiore sembrano particolarmente importanti per l’evoluzione iniziale della stagione, mentre la struttura dei venti nella stratosfera tropicale superiore può assumere maggiore rilievo per la variabilità del vortice durante il cuore dell’inverno. Questa distinzione è importante perché modifica l’interpretazione tradizionale della teleconnessione: non esiste necessariamente un unico livello della QBO responsabile dell’effetto Holton–Tan, bensì una struttura verticale complessa nella quale differenti quote possono influire sulla propagazione delle onde in momenti differenti della stagione.
Risultati moderni hanno rafforzato questa prospettiva. Uno studio dedicato alla prevedibilità degli eventi estremi del vortice ha mostrato, attraverso esperimenti di nudging, che la corretta rappresentazione della circolazione equatoriale nella stratosfera superiore può risultare essenziale per riprodurre correttamente la tempistica e la struttura di alcuni SSW. Nel caso del grande riscaldamento del gennaio 2009, il solo vincolo imposto alla troposfera non consentiva al modello di riprodurre pienamente l’evento, mentre l’inclusione delle condizioni osservate nella stratosfera equatoriale superiore migliorava notevolmente la simulazione. Questo risultato sostiene l’idea, già emersa dagli esperimenti meccanicistici di Gray e collaboratori, secondo cui l’intera struttura verticale della stratosfera tropicale può contribuire alla precondizione dinamica degli SSW.
La modellistica meccanicistica ha inoltre mostrato che il momento della stagione nel quale la QBO interagisce con la circolazione extratropicale può essere importante quanto la sua fase. Gli esperimenti di Hampson e Haynes, nei quali veniva rappresentata esplicitamente una QBO in propagazione discendente, indicarono che l’allineamento temporale tra il ciclo della QBO e il ciclo annuale modifica significativamente la successiva risposta del vortice. In particolare, le condizioni della prima parte dell’inverno possono predisporre l’ambiente stratosferico nel quale si sviluppa la variabilità di metà e fine inverno. Ciò significa che la risposta osservata in gennaio o febbraio può essere in parte determinata da modificazioni della propagazione ondulatoria avvenute diverse settimane prima.
Questa memoria dinamica della stratosfera aiuta anche a spiegare perché l’effetto Holton–Tan possa cambiare intensità nel corso dell’inverno. Le analisi osservative mostrano che il segnale tende a essere particolarmente evidente tra l’inizio e la parte centrale dell’inverno boreale, mentre può indebolirsi o assumere caratteristiche differenti nelle fasi più avanzate della stagione. Lu e collaboratori hanno mostrato che la fase orientale della QBO nella bassa stratosfera può favorire la formazione di una guida d’onda alle medie latitudini capace di aumentare sia la propagazione verticale delle onde planetarie dalla troposfera verso la bassa stratosfera, sia la successiva propagazione verso il polo nella media e alta stratosfera. L’aumento della convergenza dell’attività ondulatoria alle alte latitudini favorisce quindi una maggiore perturbazione del vortice.
Questa interpretazione rappresenta un’evoluzione del meccanismo originale di Holton e Tan. Nella formulazione classica, l’elemento fondamentale è lo spostamento latitudinale della linea di vento zonale nullo associato alla QBO. Durante la fase orientale, tale linea tende a spostarsi verso l’emisfero invernale e a modificare il percorso disponibile per le onde planetarie, confinandone maggiormente la propagazione verso le alte latitudini. Durante la fase occidentale, la configurazione della guida d’onda permette invece a una maggiore frazione dell’attività ondulatoria di estendersi verso le regioni tropicali, riducendo relativamente il forcing esercitato sul vortice. Studi successivi hanno proposto meccanismi complementari nei quali assume particolare rilievo la circolazione meridionale secondaria prodotta dalla stessa QBO. Questa circolazione genera anomalie di temperatura e vento che si estendono dai tropici verso le regioni subtropicali e modificano l’indice di rifrazione per le onde di Rossby. La distinzione tra questi due meccanismi non deve necessariamente essere interpretata come un’alternativa assoluta: è probabile che lo spostamento delle linee critiche, la circolazione meridionale della QBO e le modificazioni dell’indice di rifrazione contribuiscano insieme, con peso relativo variabile secondo la stagione e lo stato atmosferico. La moderna letteratura di revisione continua infatti a considerare la spiegazione completa della teleconnessione QBO-vortice come un problema non del tutto risolto.
L’importanza del frangimento delle onde di Rossby è stata ulteriormente confermata da analisi più recenti. Lu e collaboratori, utilizzando rianalisi atmosferiche, hanno mostrato che durante la fase orientale della QBO l’attività delle onde planetarie di grande scala propaganti verso l’alto può aumentare sensibilmente durante l’inizio dell’inverno e che il Rossby wave breaking nella bassa stratosfera risulta contemporaneamente rafforzato. Questo comportamento è compatibile con la formazione di una configurazione della guida d’onda più favorevole alla trasmissione dell’influenza subtropicale verso le alte latitudini.
Di particolare interesse è anche il fatto che la QBO possa modificare non soltanto ciò che accade alle onde una volta entrate nella stratosfera, ma persino la struttura dell’attività ondulatoria apparentemente proveniente dalla troposfera. Gli esperimenti di Naito e Yoden mostrarono differenze nella propagazione verticale e meridionale delle onde in funzione della configurazione dei venti equatoriali. Ciò mette in discussione una rappresentazione troppo rigida secondo la quale la troposfera costituirebbe una sorgente indipendente e la stratosfera semplicemente un mezzo passivo che assorbe l’attività ondulatoria. Poiché le onde planetarie possiedono scale verticali molto grandi e la propagazione dipende continuamente dalla struttura tridimensionale del vento medio, sorgente troposferica, guida d’onda stratosferica e regione di dissipazione devono essere considerate parti di un unico sistema dinamico accoppiato.
Questa visione ha conseguenze importanti anche per la prevedibilità stagionale. La QBO evolve molto più lentamente delle perturbazioni meteorologiche troposferiche e presenta quindi una notevole memoria temporale. Se la sua fase e, soprattutto, la sua struttura verticale sono adeguatamente rappresentate nei modelli, esse possono fornire informazioni sulla probabilità che il vortice polare attraversi determinati regimi dinamici durante l’inverno. La QBO non permette naturalmente di prevedere la data di un SSW con mesi di anticipo, ma contribuisce a definire lo stato di fondo nel quale agiranno le onde planetarie. In questo senso costituisce una sorgente di prevedibilità probabilistica piuttosto che deterministica.
Occorre tuttavia ricordare che la risposta del vortice alla QBO può essere modulata da altre forme di variabilità atmosferica e oceanica. L’ENSO, la configurazione delle anomalie di temperatura superficiale del Pacifico settentrionale, la copertura nevosa eurasiatica, la variabilità delle onde troposferiche e il ciclo solare possono tutti modificare l’ambiente nel quale si manifesta l’effetto Holton–Tan. Studi basati sulle rianalisi hanno mostrato, per esempio, che ENSO e QBO possono interagire nel modificare la circolazione meridionale media, i getti subtropicali e la propagazione delle onde planetarie. Di conseguenza, una medesima fase della QBO può produrre segnali extratropicali differenti a seconda dello stato concomitante del Pacifico tropicale e della circolazione delle medie latitudini.
Analoga cautela è richiesta nell’interpretazione dell’interazione tra QBO e ciclo solare. Gli esperimenti meccanicistici di Ito e collaboratori rappresentarono uno dei primi tentativi di separare statisticamente i due contributi utilizzando integrazioni estremamente lunghe. Essi suggerirono che la risposta del vortice alla variazione solare potesse dipendere dalla fase della QBO, con un segnale solare relativamente più evidente durante determinate configurazioni dei venti equatoriali. Tuttavia, l’ampiezza della risposta solare risultava inferiore rispetto alla risposta associata direttamente alla QBO e la sua identificazione richiedeva campioni molto grandi. Questo risultato evidenzia un problema generale delle osservazioni stratosferiche: la serie temporale disponibile comprende soltanto alcune decine di inverni pienamente osservati con sistemi moderni, mentre la variabilità interna del vortice è molto grande. Separare statisticamente QBO, ENSO, ciclo solare e variabilità spontanea rappresenta quindi una sfida considerevole.
Proprio per questo motivo i modelli meccanicistici rimangono uno strumento insostituibile. Il loro basso costo computazionale consente integrazioni di migliaia o decine di migliaia di giorni, permettendo di campionare regioni dello spazio delle fasi atmosferico che le osservazioni reali non possono ancora esplorare adeguatamente. Essi permettono inoltre di stabilire relazioni causali più chiaramente rispetto alle semplici correlazioni statistiche osservate. Il limite consiste naturalmente nella loro idealizzazione: la rappresentazione della QBO può essere troppo semplice, la troposfera può essere semplificata, il forcing delle onde può essere prescritto artificialmente e molti processi fisici possono essere parametrizzati oppure esclusi. Per questo motivo nessun singolo esperimento meccanicistico deve essere interpretato come una riproduzione completa dell’atmosfera reale.
I modelli climatici più complessi confermano comunque numerosi aspetti fondamentali emersi da questi esperimenti. La fase orientale della QBO tende generalmente a essere associata a un maggiore disturbo del vortice e a una maggiore probabilità di SSW, mentre la fase occidentale favorisce mediamente un vortice più stabile. Tuttavia, la forza della teleconnessione simulata è spesso inferiore a quella delle rianalisi. Un’analisi dei modelli CMIP6 ha mostrato che diversi modelli sottostimano sistematicamente l’effetto Holton–Tan e ha collegato parte di questa debolezza a una rappresentazione insufficiente delle modificazioni della propagazione e del frangimento delle onde planetarie, con particolare importanza delle anomalie che si sviluppano nel settore asiatico. Il risultato è particolarmente significativo perché suggerisce che una QBO tropicale apparentemente realistica non sia, da sola, sufficiente: è necessario rappresentare correttamente anche il modo in cui il segnale tropicale modifica la struttura tridimensionale della circolazione extratropicale.
Studi con integrazioni molto lunghe hanno inoltre mostrato che l’effetto Holton–Tan possiede una marcata struttura longitudinale e non può essere considerato esclusivamente come una risposta zonalmente simmetrica. Esperimenti WACCM della durata equivalente a molti secoli indicano che le modificazioni delle onde stazionarie e della loro propagazione dipendono dalla longitudine e che parte del segnale polare deriva dall’interazione tra la QBO e la climatologia tridimensionale delle onde planetarie. Questo risultato amplia ulteriormente il quadro originario: la teleconnessione tra tropici e polo non è soltanto verticale e meridionale, ma coinvolge anche la struttura geografica delle onde stazionarie generate dalla topografia e dai contrasti termici della superficie terrestre.
Nel loro insieme, gli esperimenti meccanicistici costruiscono quindi una rappresentazione molto più complessa dell’influenza della QBO sul vortice rispetto all’idea di una semplice relazione tra fase orientale e vortice debole. La QBO modifica le condizioni di propagazione delle onde planetarie attraverso la struttura del vento zonale, lo shear verticale, la circolazione meridionale secondaria e le modificazioni dell’indice di rifrazione. Questi cambiamenti possono spostare le linee critiche, modificare l’estensione della surf zone, alterare il Rossby wave breaking e cambiare la quantità e la distribuzione dell’attività ondulatoria depositata nella stratosfera polare. La risposta che ne deriva dipende dall’intensità del forcing troposferico, dallo stato iniziale del vortice, dal rilassamento radiativo, dalla struttura verticale della QBO e dal momento della stagione nel quale tali processi interagiscono.
La conclusione forse più importante è quindi che l’effetto Holton–Tan debba essere interpretato come una modulazione dello stato dinamico dell’intera stratosfera invernale. Durante la fase orientale della QBO, la configurazione della circolazione tende mediamente a rendere più efficiente l’interazione delle onde planetarie con il vortice polare, favorendo decelerazione dei venti occidentali, subsidenza dinamica sulle regioni polari e riscaldamento della stratosfera artica. Durante la fase occidentale, la propagazione e la deposizione dell’attività ondulatoria tendono invece, in media, a essere meno favorevoli alla perturbazione del vortice, che può quindi mantenersi più intenso e freddo. Ma questa risposta statistica può essere amplificata, attenuata o perfino temporaneamente mascherata dalla variabilità interna e dagli altri forcing atmosferici.
A più di quarant’anni dalla formulazione dell’ipotesi originale di Holton e Tan, la letteratura contemporanea continua infatti a considerare plausibili diversi meccanismi complementari. La moderna revisione della dinamica stratosferica sottolinea esplicitamente che una spiegazione completamente unificata della teleconnessione QBO-vortice non è ancora stata raggiunta, mentre la revisione sugli SSW identifica molteplici meccanismi attraverso i quali la QBO può influenzare il vortice. Più che indebolire l’importanza dell’effetto Holton–Tan, questa complessità ne mette in evidenza il valore scientifico: essa dimostra come una modalità di variabilità generata nella stratosfera tropicale possa riorganizzare la propagazione delle onde su scala emisferica e contribuire alla variabilità del vortice polare migliaia di chilometri più a nord.
I modelli meccanicistici hanno quindi trasformato l’effetto Holton–Tan da semplice relazione statistica in un problema fondamentale di dinamica atmosferica. Essi hanno mostrato che la QBO può modificare la soglia alla quale il vortice diventa vulnerabile all’attività ondulatoria, che tale influenza è massima quando il forcing planetario si trova in un regime intermedio, che la propagazione e il frangimento delle onde di Rossby costituiscono elementi centrali della comunicazione tropicale-extratropicale, che lo smorzamento radiativo può modificare sostanzialmente la risposta e che la struttura verticale e l’evoluzione stagionale della QBO sono importanti almeno quanto il semplice segno del vento a un determinato livello. Il quadro che emerge è quindi quello di un sistema atmosferico fortemente interconnesso, nel quale tropici, medie latitudini e regioni polari non rappresentano domini dinamicamente separati ma componenti di una stessa circolazione planetaria. La QBO agisce come uno dei principali regolatori di questo sistema, modificando il percorso seguito dalle onde e predisponendo la stratosfera boreale verso configurazioni più o meno favorevoli alla destabilizzazione del vortice e allo sviluppo dei riscaldamenti stratosferici improvvisi.
3.2. Modelli di circolazione generale
modelli di circolazione generale rappresentano uno strumento fondamentale per comprendere come la Quasi-Biennial Oscillation possa influenzare la circolazione atmosferica ben oltre la stratosfera tropicale nella quale essa viene generata. Rispetto ai modelli meccanicistici, che permettono di isolare singoli processi dinamici attraverso configurazioni fortemente idealizzate, i General Circulation Models, o GCM, simulano un sistema atmosferico molto più complesso, nel quale onde equatoriali, onde di gravità, circolazione meridionale, onde planetarie extratropicali, vortice polare, troposfera e, nei modelli accoppiati, oceano interagiscono simultaneamente. Proprio questa maggiore completezza rende i GCM particolarmente adatti allo studio delle teleconnessioni della QBO, ma allo stesso tempo rende molto più difficile identificare con precisione i singoli meccanismi responsabili della risposta osservata. La capacità di un modello di rappresentare correttamente l’accoppiamento tra QBO e vortice polare dipende infatti non soltanto dalla presenza di un’oscillazione tropicale apparentemente realistica, ma dalla corretta simulazione della sua ampiezza, della sua struttura verticale, della sua estensione meridionale, della velocità di propagazione discendente e dello spettro di onde che ne determina l’evoluzione.
Uno degli sviluppi più importanti della modellistica atmosferica degli ultimi decenni è stato il passaggio da GCM nei quali la QBO doveva necessariamente essere imposta artificialmente a modelli capaci di generare spontaneamente un’oscillazione dei venti equatoriali simile a quella osservata. Una QBO può essere definita spontanea quando l’alternanza tra regimi orientali e occidentali della stratosfera tropicale viene prodotta internamente dal modello attraverso la deposizione di momento da parte delle onde atmosferiche risolte e parametrizzate, anziché essere prescritta dall’esterno. Per ottenere questo comportamento il modello deve rappresentare adeguatamente la complessa interazione tra onde e flusso medio che determina la progressiva discesa dei regimi di vento dalla media verso la bassa stratosfera. Ciò richiede una risoluzione verticale sufficientemente elevata, un limite superiore del modello abbastanza alto e, soprattutto, una rappresentazione appropriata dello spettro di onde equatoriali e delle onde di gravità.
La difficoltà fondamentale deriva dal fatto che una parte importante del forcing della QBO è prodotta da onde aventi scale spaziali troppo piccole per essere risolte esplicitamente dalla maggior parte dei modelli climatici. Il loro effetto deve quindi essere rappresentato mediante parametrizzazioni. Questa circostanza introduce una delle principali fonti di incertezza nella simulazione della QBO. Il progetto internazionale SPARC QBO Initiative, o QBOi, ha mostrato quanto questo problema rimanga centrale anche nei modelli atmosferici moderni. Nell’interconfronto analizzato da Bushell e collaboratori, quasi tutti i modelli che simulavano una QBO utilizzavano una parametrizzazione delle onde di gravità non orografiche e, nella maggior parte di essi, tali onde fornivano una frazione dominante del forcing totale necessario a sostenere l’oscillazione nella stratosfera. Questo significa che una QBO apparentemente realistica può dipendere in misura considerevole dalle scelte adottate nella parametrizzazione delle onde di piccola scala, e non soltanto dalla dinamica direttamente risolta dal modello.
Il problema è importante perché non è sufficiente che un GCM produca semplicemente venti orientali e occidentali alternati. Affinché la QBO simulata abbia effetti extratropicali realistici, devono essere corretti anche la profondità verticale delle anomalie, la loro estensione latitudinale, l’intensità dello shear e la tempistica della propagazione verso il basso. Gli esperimenti meccanicistici discussi nella sezione precedente hanno infatti dimostrato che variazioni relativamente modeste nella struttura verticale o meridionale dei venti equatoriali possono modificare considerevolmente la risposta del vortice polare. Una QBO modellistica con periodo realistico ma troppo debole nella bassa stratosfera può quindi produrre teleconnessioni sostanzialmente errate. Analogamente, una QBO con corretta ampiezza equatoriale ma estensione latitudinale troppo ridotta può alterare in maniera insufficiente la guida d’onda subtropicale e quindi produrre una risposta extratropicale troppo debole.
Il progresso compiuto tra le diverse generazioni del Coupled Model Intercomparison Project rende particolarmente evidente questo problema. L’analisi di Richter e collaboratori ha mostrato che nessuno dei modelli CMIP3 esaminati simulava adeguatamente una QBO interna, mentre il numero aumentava a cinque nei modelli CMIP5 e a quindici nei CMIP6. Il progresso nella capacità dei modelli di produrre spontaneamente l’oscillazione tropicale è quindi stato considerevole. Tuttavia, l’aumento del numero di modelli dotati di QBO non si è tradotto automaticamente in un analogo miglioramento della sua qualità. In particolare, nei modelli CMIP5 e CMIP6 il periodo e l’estensione latitudinale dell’oscillazione risultano complessivamente ragionevoli, mentre l’ampiezza tende a essere spostata verso quote troppo elevate e risulta sistematicamente sottostimata al di sotto di circa 20 hPa. La debolezza della QBO nella parte più bassa della stratosfera è particolarmente importante perché proprio questa regione svolge un ruolo fondamentale in numerose teleconnessioni verso la troposfera e le extratropiche.
Questi risultati mostrano come il problema originale discusso nei primi studi sui GCM rimanga sorprendentemente attuale. Già Hamilton nel 1998 aveva sottolineato che perfino una simulazione pluridecennale poteva produrre statistiche molto differenti dell’effetto extratropicale della QBO a seconda della porzione del periodo analizzata. Ciò deriva dall’enorme variabilità interna del vortice polare boreale. Gli SSW, le variazioni del flusso delle onde planetarie e le oscillazioni della forza del vortice possiedono infatti un’elevata componente caotica, per cui serie di alcune decine d’anni possono non essere sufficienti per isolare con precisione un segnale relativamente debole come quello associato alla QBO. Il problema riguarda tanto le simulazioni quanto le osservazioni: persino l’intero periodo delle moderne rianalisi rappresenta soltanto un numero limitato di cicli QBO e di inverni stratosferici, rendendo difficile separare la risposta sistematica alla QBO dalla variabilità casuale.
Gli studi pionieristici di Hamilton e di Niwano e Takahashi rappresentarono comunque un’importante conferma modellistica dell’effetto Holton–Tan. Nonostante le differenze sostanziali nella rappresentazione della QBO, entrambi trovarono che durante la fase orientale il vortice polare dell’emisfero settentrionale tendeva a essere mediamente più debole rispetto alla fase occidentale. La risposta risultava tuttavia principalmente confinata al cuore dell’inverno e non emergeva chiaramente in novembre. Questa difficoltà nel riprodurre la risposta osservata durante l’inizio della stagione divenne una caratteristica ricorrente di numerosi GCM e suggerì che la semplice rappresentazione del segno del vento equatoriale a un singolo livello non fosse sufficiente.
Gli esperimenti di Pascoe e collaboratori fornirono un’importante indicazione in questa direzione confrontando configurazioni nelle quali la QBO veniva imposta soltanto nella bassa e media stratosfera con configurazioni nelle quali la sua struttura si estendeva fino alla stratosfera superiore. Gli SSW di metà inverno tendevano a verificarsi più precocemente quando il modello conteneva una QBO verticalmente profonda, mentre i riscaldamenti dell’inizio della stagione risultavano meno sensibili alle condizioni tropicali alle quote superiori. Questa distinzione suggerisce che regioni differenti della QBO possano controllare aspetti differenti dell’evoluzione stagionale del vortice: la bassa e media stratosfera tropicale sembra particolarmente importante durante le prime fasi dell’inverno, mentre la struttura della QBO nella stratosfera superiore può acquisire maggiore rilevanza nel modulare la variabilità del vortice durante gennaio e febbraio.
Calvo e collaboratori mostrarono successivamente che l’effetto Holton–Tan poteva essere riprodotto anche da un modello nel quale la QBO veniva generata spontaneamente. Nella loro simulazione pluridecennale il vortice polare boreale risultava mediamente più forte durante la fase occidentale a 30 hPa e più debole nella fase orientale. Anche in questo caso, tuttavia, il segnale diveniva evidente principalmente da dicembre in avanti. Il risultato era importante perché dimostrava che l’accoppiamento QBO-vortice non richiedeva necessariamente un forcing artificiale della circolazione tropicale: poteva emergere autonomamente da un sistema nel quale la QBO stessa derivava dall’interazione tra onde e flusso medio.
Le integrazioni molto più lunghe di Anstey e collaboratori permisero di affrontare il problema da una prospettiva diversa. Utilizzando circa 150 anni di simulazione con QBO spontanea, gli autori definirono la fase dell’oscillazione considerando la sua struttura verticale complessiva anziché classificandola semplicemente sulla base del vento a una singola pressione. Questa metodologia consentì di identificare fasi differenti della QBO maggiormente associate alle risposte del vortice di inizio e fine inverno. In particolare, venne ottenuto un segnale anche durante novembre. Il risultato sottolinea un punto fondamentale: l’atmosfera extratropicale probabilmente non “risponde” alla QBO definita a 30 o 50 hPa in senso stretto, ma alla struttura tridimensionale complessiva del vento e della temperatura tropicale. Due inverni entrambi classificati come QBO orientale a un determinato livello possono infatti avere strutture verticali molto diverse e, conseguentemente, produrre differenti condizioni di propagazione per le onde planetarie.
La rappresentazione della QBO nei GCM diventa ancora più importante quando si considera l’effetto Holton–Tan. Le moderne simulazioni CMIP6 confermano che la semplice presenza di una QBO interna non garantisce una corretta teleconnessione con il vortice artico. Elsbury, Peings e Magnusdottir hanno confrontato quattordici modelli CMIP6 con ERA5 e hanno trovato che tutti sottostimavano, in misura diversa, l’indebolimento del vortice associato alla fase orientale della QBO nella bassa stratosfera. Nelle rianalisi il segnale corrispondeva a una marcata riduzione dei venti occidentali polari, mentre nei modelli la risposta risultava generalmente molto più debole. Gli autori hanno collegato questa sottostima non soltanto all’ampiezza tropicale della QBO, ma anche alla capacità del modello di riprodurre una specifica risposta delle onde planetarie e della vorticità potenziale alle medie latitudini, particolarmente evidente nel settore asiatico.
Questo risultato modifica in parte la concezione tradizionale dell’effetto Holton–Tan. Nei primi schemi teorici la teleconnessione veniva spesso rappresentata in termini quasi esclusivamente zonali: la QBO modifica il vento subtropicale, altera le condizioni di propagazione delle onde di Rossby e cambia quindi il forcing esercitato sul vortice. Le simulazioni moderne mostrano invece che la risposta possiede una struttura tridimensionale e longitudinalmente asimmetrica. Le onde planetarie che raggiungono la stratosfera sono fortemente influenzate dalla distribuzione geografica della topografia, dei continenti, dei contrasti termici e dei getti troposferici. La QBO può quindi modificare selettivamente la propagazione e il wave breaking in particolari settori longitudinali, e la capacità di riprodurre questi dettagli sembra essere determinante per ottenere un effetto Holton–Tan realistico.
L’ampiezza della QBO nella stratosfera tropicale costituisce comunque una parte importante del problema. Nei modelli CMIP6 che rappresentano più intensamente i venti occidentali della QBO attorno a 10 hPa tende a emergere una risposta extratropicale più realistica, sebbene la relazione non sia perfetta. Questo conferma quanto già suggerito dagli studi meccanicistici: la struttura verticale della QBO è essenziale perché le onde planetarie possiedono lunghezze d’onda verticali comparabili con una parte considerevole dello spessore della stratosfera. Un errore nella parte superiore della QBO può quindi influenzare l’intero percorso delle onde, anche quando l’indice utilizzato per classificare la fase dell’oscillazione viene calcolato molto più in basso.
La crescente capacità dei GCM di rappresentare la stratosfera ha inoltre consentito di analizzare la relazione tra QBO e ciclo solare. Questa interazione ha una lunga storia nella letteratura osservativa, in particolare a partire dai lavori di Labitzke e van Loon, che evidenziarono una possibile dipendenza dello stato del vortice dalla combinazione tra fase della QBO e attività solare. I primi GCM che tentarono di riprodurre questo comportamento utilizzavano variazioni artificialmente elevate della radiazione ultravioletta, rendendo difficile valutare fino a che punto i risultati fossero applicabili all’atmosfera reale. Nonostante questa limitazione, diversi esperimenti ottennero una struttura qualitativamente simile a quella osservata, suggerendo che la risposta del vortice al ciclo solare potesse dipendere dalla fase della QBO.
Gli esperimenti di Balachandran e Rind risultarono particolarmente interessanti perché mostrarono che, durante condizioni di minimo solare, la differenza tra QBO orientale e occidentale nella temperatura della stratosfera polare poteva essere relativamente marcata, mentre durante il massimo solare tale differenza tendeva a ridursi. La configurazione caratterizzata simultaneamente da QBO occidentale e minimo solare emergeva come quella associata al vortice più freddo. Tuttavia, gli stessi autori evidenziarono che persino le variazioni solari utilizzate negli esperimenti ritenuti più realistici potevano essere eccessive. Questo mette in evidenza un problema metodologico generale: una simulazione può riprodurre apparentemente un segnale osservato pur utilizzando un forcing non realistico, e la corrispondenza tra risultato modellistico e osservazione non costituisce necessariamente una dimostrazione del meccanismo fisico sottostante.
Gli esperimenti successivi di Matthes e collaboratori cercarono quindi di rappresentare più realisticamente sia la struttura verticale della QBO sia la variabilità spettrale della radiazione solare e i cambiamenti associati dell’ozono stratosferico. Alcune simulazioni riprodussero nuovamente una differenza tra QBO orientale e occidentale durante il minimo solare e una risposta molto più debole durante il massimo. Altri esperimenti con chemistry-climate models, tuttavia, non riuscirono a riprodurre un’analoga modulazione durante l’inverno boreale. Questa mancanza di robustezza mostra quanto sia difficile isolare una possibile interazione QBO-ciclo solare dalla variabilità spontanea del vortice, soprattutto considerando che il segnale radiativo solare è relativamente debole rispetto alla variabilità dinamica interna della stratosfera.
L’introduzione della chimica interattiva nei modelli climatici ha aperto un ulteriore settore di ricerca. La QBO modifica infatti non soltanto i venti e le temperature, ma anche la circolazione residua e quindi il trasporto di ozono, vapore acqueo e altri traccianti. Nell’emisfero australe queste modificazioni possono influenzare indirettamente la chimica del buco dell’ozono. Gli esperimenti di Shindell e collaboratori mostrarono che le differenti condizioni termiche associate alle fasi della QBO potevano produrre variazioni notevoli nella perdita di ozono antartico. La forte dipendenza delle reazioni chimiche eterogenee dalla temperatura rende infatti il sistema particolarmente sensibile anche a variazioni termiche relativamente modeste. In un ambiente prossimo alla soglia necessaria alla formazione delle nubi stratosferiche polari, pochi kelvin possono determinare variazioni rilevanti nella quantità di cloro attivato e quindi nell’intensità della distruzione dell’ozono.
La QBO può inoltre modulare la risposta stratosferica alle grandi eruzioni vulcaniche. L’iniezione di aerosol solfatici nella stratosfera modifica il bilancio radiativo e riscalda localmente le regioni contenenti gli aerosol, alterando la circolazione meridionale e la propagazione delle onde. Lo stato della QBO al momento dell’eruzione può quindi influenzare la successiva distribuzione degli aerosol e la risposta dinamica dell’atmosfera. Gli studi con GCM hanno mostrato che questa modulazione può essere considerevole, fornendo un ulteriore esempio del ruolo della QBO come stato di fondo capace di modificare la risposta atmosferica a forcing esterni.
Un passaggio concettuale ancora più importante è rappresentato dall’inclusione dell’oceano interattivo. I modelli atmosfera-only prescrivono normalmente le temperature della superficie marina, mentre i modelli accoppiati permettono all’atmosfera e all’oceano di influenzarsi reciprocamente. Questo consente di studiare in maniera più realistica l’interazione tra QBO ed ENSO, una delle principali sorgenti di variabilità interannuale del sistema climatico. ENSO modifica profondamente la convezione tropicale e quindi le onde planetarie generate nel Pacifico, mentre la QBO modifica a sua volta lo stato di fondo attraverso il quale tali onde si propagano. Le due modalità possono pertanto interagire, producendo una risposta extratropicale diversa da quella che deriverebbe semplicemente dalla somma dei loro effetti indipendenti.
Calvo e collaboratori mostrarono che la tempistica del riscaldamento del vortice associato a El Niño dipendeva dalla fase della QBO: la risposta tendeva a essere più precoce durante determinate condizioni equatoriali e più tardiva durante quelle opposte. Garfinkel e Hartmann approfondirono il problema mostrando, tanto nelle rianalisi quanto in WACCM, che le teleconnessioni di El Niño verso il Pacifico settentrionale risultavano differenti a seconda della fase della QBO nella bassa stratosfera. Nella loro analisi le teleconnessioni di El Niño risultavano più intense durante la fase occidentale della QBO a 70 hPa rispetto alla fase orientale, e gli esperimenti con un modello dinamico semplificato indicavano che una parte di questa differenza poteva essere spiegata dalla modificazione dello stato del vento attraverso il quale si propagano le onde di Rossby generate dall’anomalia convettiva tropicale.
Questo risultato suggerisce che il percorso attraverso il quale la QBO influenza il vortice polare possa non essere esclusivamente stratosferico. Esiste infatti la possibilità di una via troposferica, nella quale la QBO modifica la circolazione subtropicale e la risposta delle onde alla convezione tropicale, alterando successivamente la configurazione delle onde planetarie che dalla troposfera raggiungono la stratosfera. La distinzione tra percorso stratosferico e troposferico non deve necessariamente essere considerata rigida. In un sistema atmosferico completamente accoppiato, la QBO può contemporaneamente modificare le condizioni di propagazione delle onde nella stratosfera, la posizione dei getti nella troposfera superiore e la risposta extratropicale alle anomalie convettive tropicali.
L’importanza di queste interazioni diventa particolarmente evidente quando si passa dalla comprensione dei meccanismi alla previsione stagionale. La QBO possiede infatti una caratteristica estremamente favorevole dal punto di vista predittivo: evolve lentamente. Mentre gran parte della circolazione troposferica perde rapidamente memoria delle condizioni iniziali, la struttura dei venti equatoriali stratosferici può essere prevista con un orizzonte temporale molto più lungo. Di conseguenza, se la QBO esercita un’influenza statisticamente robusta sulla circolazione extratropicale, essa può rappresentare una sorgente di prevedibilità stagionale.
Boer e Hamilton furono tra i primi a quantificare esplicitamente questo potenziale, mostrando che la conoscenza dello stato della QBO poteva fornire informazioni aggiuntive alle previsioni stagionali dell’inverno boreale, in particolare nel settore nord-atlantico. Marshall e Scaife analizzarono successivamente la risposta climatica superficiale europea alla QBO utilizzando versioni del Met Office Unified Model con diversa estensione e risoluzione stratosferica. Entrambi i modelli riproducevano una risposta del vortice e della circolazione superficiale, ma la configurazione con stratosfera meglio risolta rappresentava più fedelmente la QBO e suggeriva una maggiore capacità di sfruttare il suo segnale per la previsione stagionale e pluriennale.
Il meccanismo attraverso il quale il segnale raggiunge la superficie è collegato all’accoppiamento discendente stratosfera-troposfera. Una perturbazione del vortice polare può modificare la struttura della circolazione zonale nella bassa stratosfera e, attraverso una complessa sequenza di interazioni dinamiche con le onde troposferiche, favorire anomalie della circolazione superficiale che assomigliano alle fasi dell’Arctic Oscillation o della North Atlantic Oscillation. In media, un vortice stratosferico debole tende a essere seguito più frequentemente da configurazioni troposferiche caratterizzate da pressioni relativamente elevate sull’Artico e da una componente negativa dell’AO/NAO, mentre un vortice intenso è più frequentemente associato alla configurazione opposta. La QBO può quindi contribuire alla prevedibilità della circolazione nord-atlantica modulando inizialmente lo stato del vortice stratosferico.
È tuttavia fondamentale interpretare questa relazione in termini probabilistici. La QBO non determina quale fase della NAO si verificherà in un particolare inverno, così come non determina inevitabilmente la comparsa di un SSW. Essa modifica la distribuzione delle probabilità attraverso la sua influenza sullo stato di fondo della stratosfera e sulle condizioni di propagazione delle onde. La variabilità meteorologica interna rimane abbastanza grande da produrre numerosi casi apparentemente contrari alla relazione media. Proprio per questo motivo l’utilizzo della QBO nelle previsioni stagionali richiede grandi ensemble modellistici, capaci di rappresentare non soltanto il segnale forzato ma anche l’ampia distribuzione della variabilità interna.
Il miglioramento della rappresentazione della QBO nei modelli moderni costituisce quindi un requisito essenziale per sfruttarne pienamente il potenziale predittivo. I risultati di QBOi e CMIP6 mostrano un quadro al tempo stesso incoraggiante e problematico. Da un lato, la generazione spontanea della QBO, un tempo limitata a pochi modelli altamente specializzati, è diventata molto più comune. Dall’altro, permangono errori sistematici nell’intensità, nella distribuzione verticale e nella propagazione delle anomalie, soprattutto nella parte inferiore della stratosfera. Richter e collaboratori hanno evidenziato che il numero di modelli CMIP capaci di generare una QBO è triplicato da CMIP5 a CMIP6, ma che la fedeltà media dell’oscillazione non è migliorata in proporzione: la QBO modellistica rimane frequentemente troppo debole sotto 20 hPa e la sua influenza può non estendersi adeguatamente verso la tropopausa.
Questa debolezza è particolarmente significativa alla luce dei risultati sull’effetto Holton–Tan. Se la QBO nella bassa stratosfera è sottostimata, anche la circolazione meridionale associata alla QBO e le anomalie subtropicali della vorticità potenziale e dell’indice di rifrazione delle onde possono essere troppo deboli. Di conseguenza, la modifica della propagazione delle onde planetarie verso il vortice polare risulta insufficiente. L’analisi dei CMIP6 di Elsbury e collaboratori indica precisamente questo comportamento: pur essendo oggi numerosi i modelli capaci di simulare una QBO spontanea, la risposta del vortice polare alla fase orientale rimane sistematicamente più debole di quella presente in ERA5. La qualità della teleconnessione sembra inoltre dipendere dalla capacità di rappresentare correttamente le modificazioni del wave breaking alle medie e alte latitudini, in particolare sopra il continente asiatico.
Il progresso della modellistica ha quindi spostato la questione scientifica. Nelle prime generazioni di GCM la domanda principale era se fosse possibile simulare una QBO. Oggi la domanda è diventata molto più esigente: il modello genera la QBO con i corretti processi fisici? Rappresenta correttamente il contributo relativo delle onde equatoriali e delle onde di gravità? Riproduce il periodo, l’ampiezza, l’estensione verticale e meridionale e la propagazione discendente osservate? E, soprattutto, una QBO apparentemente realistica produce teleconnessioni realistiche verso il vortice, la troposfera e la superficie?
Le simulazioni QBOi hanno dimostrato che queste domande rimangono aperte. La forte dipendenza della QBO dalle parametrizzazioni delle onde di gravità non orografiche significa che modelli differenti possono produrre oscillazioni superficialmente simili attraverso bilanci dinamici differenti. Ciò diventa particolarmente importante quando il clima di fondo viene modificato, per esempio aumentando la concentrazione dei gas serra. Una parametrizzazione calibrata per riprodurre la QBO contemporanea potrebbe non rispondere correttamente a un cambiamento della convezione tropicale, della stabilità atmosferica o della circolazione di Brewer–Dobson. Pertanto, la capacità di simulare correttamente la QBO presente non garantisce necessariamente una corretta previsione della sua evoluzione futura.
Un altro insegnamento fondamentale dei GCM riguarda la distinzione tra QBO imposta e QBO spontanea. Gli esperimenti con forcing imposto rimangono estremamente utili perché permettono di controllare con precisione la fase, l’ampiezza e la struttura verticale dell’oscillazione e consentono quindi di stabilire relazioni causali. Tuttavia, eliminano almeno parzialmente la possibilità di feedback dalle extratropiche verso i tropici. Nell’atmosfera reale, invece, il flusso delle onde extratropicali modifica la circolazione meridionale stratosferica e l’upwelling tropicale, che può a sua volta influenzare la velocità di discesa delle fasi della QBO. La relazione tra QBO e vortice è pertanto bidirezionale: la QBO influenza il vortice, ma la variabilità extratropicale può anche modificare l’evoluzione della QBO.
Questa bidirezionalità è particolarmente importante durante gli SSW. Un grande riscaldamento stratosferico implica una forte deposizione di momento ondulatorio alle alte latitudini e una profonda riorganizzazione della circolazione meridionale residua. Le anomalie dinamiche associate possono estendersi verso i tropici e modificare temporaneamente l’upwelling equatoriale. Di conseguenza, le anomalie della QBO osservate dopo un periodo caratterizzato da intensa attività degli SSW non devono necessariamente essere interpretate esclusivamente come cause della variabilità extratropicale: possono in parte rappresentarne anche una conseguenza. I GCM con QBO spontanea sono particolarmente preziosi proprio perché permettono l’esistenza di questi feedback.
La possibilità di simulare interazioni bidirezionali è una delle ragioni per cui i modelli Earth System e i chemistry-climate models costituiscono oggi un’evoluzione importante rispetto ai primi GCM stratosferici. Essi permettono alla QBO di interagire non soltanto con la dinamica, ma anche con ozono, aerosol, radiazione, oceano e superficie terrestre. Il risultato è una rappresentazione molto più vicina al sistema atmosferico reale, nel quale nessun forcing agisce completamente in isolamento. Una variazione dell’ozono modifica il riscaldamento radiativo; il cambiamento termico altera il vento attraverso l’equilibrio dinamico; il vento modifica la propagazione delle onde; le onde modificano la circolazione residua e quest’ultima trasporta nuovamente ozono e altri traccianti. La QBO è inserita all’interno di questa rete di feedback.
Nel complesso, gli studi condotti con i modelli di circolazione generale hanno quindi confermato che l’accoppiamento tra QBO e vortice polare costituisce una proprietà robusta della dinamica atmosferica, ma hanno contemporaneamente mostrato quanto tale accoppiamento sia sensibile ai dettagli della rappresentazione modellistica. La fase orientale della QBO tende mediamente a essere associata a un vortice boreale più debole, a maggiore attività ondulatoria alle alte latitudini e a condizioni più favorevoli alla perturbazione stratosferica, mentre la fase occidentale tende a essere associata alla configurazione opposta. Tuttavia, l’ampiezza e persino la tempistica di questa risposta dipendono dalla struttura verticale e latitudinale della QBO, dal ciclo stagionale, dalla climatologia del modello, dall’attività delle onde planetarie, dall’ENSO, dal ciclo solare e dalla variabilità interna del vortice.
I GCM mostrano inoltre che la teleconnessione non termina nella stratosfera. Attraverso l’accoppiamento discendente stratosfera-troposfera, la modulazione del vortice può contribuire alla variabilità dell’Arctic Oscillation e della North Atlantic Oscillation e quindi influenzare statisticamente il clima invernale delle medie latitudini. Gli studi di previsione stagionale hanno mostrato che la conoscenza della QBO può aggiungere informazione predittiva, soprattutto nel settore nord-atlantico, mentre gli esperimenti con ENSO dimostrano che la QBO può modificare anche la risposta extratropicale alle anomalie della convezione tropicale.
La comprensione moderna della QBO ottenuta attraverso i GCM è dunque profondamente diversa da quella disponibile quando furono sviluppati i primi modelli stratosferici. Il problema non consiste più semplicemente nel riprodurre un’alternanza quasi biennale dei venti equatoriali, ma nel rappresentare l’intero sistema dinamico che collega la generazione tropicale dell’oscillazione alla circolazione globale. L’esperienza dei modelli CMIP6 costituisce un esempio particolarmente istruttivo: molti modelli possiedono oggi una QBO spontanea, ma continuano a sottostimare l’effetto Holton–Tan. Ciò dimostra che una buona simulazione della variabilità tropicale locale non implica automaticamente una buona simulazione delle sue teleconnessioni. Per ottenere quest’ultima sono necessarie una corretta ampiezza della QBO, una realistica struttura verticale e meridionale, un’adeguata rappresentazione delle onde planetarie e del loro frangimento e una climatologia extratropicale sufficientemente realistica.
Da questa prospettiva, la QBO rappresenta anche un banco di prova particolarmente severo per i modelli climatici. Essa collega processi che spaziano dalle onde di gravità su scale relativamente piccole alle onde planetarie emisferiche, dalla stratosfera tropicale al vortice polare, dalla chimica dell’ozono alla dinamica e dalla stratosfera fino alla superficie. Un modello capace di simulare correttamente l’intera catena causale deve quindi rappresentare contemporaneamente processi che operano su scale spaziali e temporali estremamente diverse. Le discrepanze ancora esistenti tra rianalisi e CMIP6 mostrano che questa sfida non è stata completamente risolta.
Il quadro complessivo che emerge dagli studi GCM è pertanto quello di una QBO che agisce non come un semplice forcing esterno del vortice polare, ma come componente attiva di un sistema climatico fortemente accoppiato. La sua influenza dipende dalla configurazione atmosferica nella quale viene inserita, può essere modificata dall’ENSO e probabilmente da altri forcing, interagisce con il ciclo stagionale e con la variabilità delle onde planetarie e può essere a sua volta alterata dalla circolazione extratropicale. La grande prevedibilità intrinseca della QBO rende questo sistema particolarmente importante per la previsione stagionale: una corretta rappresentazione dei venti tropicali stratosferici può fornire informazioni sullo stato probabilistico del vortice polare e, attraverso l’influenza discendente della stratosfera, sulla circolazione invernale delle medie latitudini.
I risultati accumulati negli ultimi decenni indicano quindi che la corretta simulazione della QBO deve essere considerata non soltanto un problema specialistico della dinamica tropicale, ma un requisito importante per una rappresentazione credibile della variabilità globale dell’atmosfera. Il passaggio dai primi esperimenti con QBO imposta alle moderne simulazioni con QBO spontanea ha rappresentato un enorme progresso, ma gli interconfronti QBOi e CMIP6 mostrano che rimangono importanti margini di miglioramento. La sfida futura non consiste semplicemente nel fare in modo che ogni GCM produca una QBO, bensì nel garantire che essa emerga attraverso un bilancio fisicamente realistico delle onde, che presenti la corretta struttura spazio-temporale e che trasmetta la propria influenza alle extratropiche con intensità, stagionalità e struttura geografica comparabili a quelle osservate. Solo raggiungendo questo obiettivo sarà possibile sfruttare pienamente la QBO come sorgente di comprensione dinamica e di prevedibilità del sistema atmosfera-oceano, dalla stratosfera tropicale fino al vortice polare e al clima invernale della superficie terrestre.
4. Discussione
La variabilità del vortice polare stratosferico durante l’inverno costituisce uno dei problemi centrali della dinamica dell’atmosfera media, non soltanto per l’interesse intrinseco legato alla comprensione dei processi che regolano la circolazione della stratosfera, ma anche perché le anomalie del vortice possono propagarsi verso la troposfera e contribuire alla modulazione della circolazione atmosferica delle medie latitudini. In questo quadro, la Quasi-Biennial Oscillation rappresenta una delle sorgenti più importanti e prevedibili di variabilità interannuale della stratosfera tropicale, ma il suo ruolo nei confronti del vortice polare deve essere interpretato come quello di un fattore modulante inserito all’interno di un sistema dinamico estremamente complesso. Il vortice non risponde infatti esclusivamente alla QBO: la sua evoluzione dipende dalla propagazione delle onde planetarie provenienti dalla troposfera, dalla configurazione dei getti, dall’ENSO, dallo stato radiativo della stratosfera, dal ciclo stagionale, dall’attività solare e, soprattutto, dalla notevole variabilità interna del sistema atmosfera-stratosfera. La relazione statistica tra QBO e vortice, tradizionalmente indicata come effetto Holton–Tan, deve pertanto essere interpretata come una modificazione probabilistica dello stato del vortice e non come una relazione deterministica nella quale una determinata fase della QBO conduce inevitabilmente a un particolare esito dell’inverno stratosferico.
Il risultato fondamentale emerso da oltre quattro decenni di studi successivi al lavoro di Holton e Tan è comunque robusto: durante la fase orientale della QBO nella bassa stratosfera tropicale, il vortice boreale tende mediamente a risultare più debole, caldo e perturbato, mentre durante la fase occidentale tende a essere più intenso e più stabile. Gli studi moderni basati sui modelli QBOi confermano questa relazione, pur mostrando che l’ampiezza della risposta simulata è spesso inferiore a quella dedotta dalle osservazioni. Nelle osservazioni, utilizzando il vento equatoriale attorno a 50 hPa come indice della QBO, la differenza del vento del vortice tra fase occidentale e orientale raggiunge circa 10 m s⁻¹ nella media stratosfera durante gennaio; tuttavia, la notevole variabilità interna rende necessarie simulazioni molto lunghe per caratterizzare stabilmente questa teleconnessione. L’interconfronto QBOi ha suggerito che integrazioni dell’ordine di un secolo siano particolarmente utili per distinguere la risposta sistematica della QBO dalla variabilità casuale del vortice.
Questo problema di campionamento è essenziale per interpretare correttamente sia le osservazioni sia i modelli. Il record strumentale stratosferico copre soltanto alcune decine di cicli completi della QBO e un numero relativamente limitato di inverni indipendenti. Quando tali inverni vengono ulteriormente suddivisi secondo la fase della QBO, la fase dell’ENSO, l’attività solare o la presenza di SSW, la dimensione del campione diminuisce rapidamente. Una relazione apparentemente forte in un determinato periodo può quindi risultare più debole durante un periodo successivo senza che questo implichi necessariamente un cambiamento fisico fondamentale nella teleconnessione. Questo aspetto costituisce una delle ragioni per cui la forza dell’effetto Holton–Tan mostra apparenti variazioni decadali. La variabilità su queste scale temporali può contenere una componente fisicamente significativa, ma può anche derivare in parte dal campionamento di un sistema caratterizzato da un’elevata variabilità interna.
La questione centrale non riguarda dunque più l’esistenza di una relazione QBO-vortice, per la quale l’insieme delle evidenze osservazionali e modellistiche è ormai sostanziale, ma il meccanismo preciso attraverso il quale una variazione dei venti confinata inizialmente alla stratosfera tropicale riesce a modificare la circolazione a migliaia di chilometri di distanza. Il meccanismo classico proposto da Holton e Tan attribuisce un ruolo fondamentale allo spostamento meridionale della linea di vento zonale nullo. In presenza della fase orientale della QBO, la distribuzione del vento tropicale e subtropicale può spostare verso il polo le regioni critiche per la propagazione delle onde planetarie stazionarie, limitando la loro propagazione verso l’Equatore e favorendone il confinamento alle latitudini superiori. L’aumento della deposizione di momento ondulatorio nella stratosfera extratropicale contribuisce alla decelerazione dei venti occidentali del vortice e, tramite la circolazione meridionale residua indotta dalle onde, al riscaldamento dinamico della regione polare.
Questa interpretazione rimane fisicamente plausibile, ma gli studi successivi hanno mostrato che lo spostamento della linea di vento nullo non costituisce necessariamente l’intero meccanismo. La circolazione meridionale secondaria associata alla QBO genera anomalie di temperatura e vento che si estendono dai Tropici verso le regioni subtropicali e modificano il gradiente di vorticità potenziale e l’indice di rifrazione delle onde di Rossby. Garfinkel e collaboratori hanno quindi proposto che una parte importante dell’effetto Holton–Tan derivi dalla modificazione della rifrazione delle onde determinata da questa circolazione secondaria, piuttosto che esclusivamente dalla migrazione di una singola linea critica. Le revisioni moderne della dinamica stratosferica continuano a considerare entrambe le interpretazioni come componenti potenzialmente rilevanti di una teleconnessione il cui meccanismo completo non è ancora definitivamente stabilito.
Un contributo particolarmente importante alla comprensione di questo problema proviene dagli studi sul Rossby wave breaking. Lu e collaboratori hanno mostrato che, durante la fase orientale della QBO, l’inizio dell’inverno boreale è caratterizzato da un aumento dell’attività delle onde planetarie propaganti verso l’alto, con un incremento dell’ordine del 25% per la componente di numero d’onda zonale 1 nella loro analisi, insieme a un rafforzamento del frangimento delle onde di Rossby nella bassa stratosfera. La struttura risultante comprende una guida d’onda più definita alle latitudini subtropicali e medie, capace di favorire la comunicazione dinamica tra la sorgente troposferica delle onde e la stratosfera polare. La risposta non rimane tuttavia costante nel corso della stagione: il progressivo wave breaking modifica a sua volta il flusso medio e le successive condizioni di propagazione, contribuendo a spiegare perché l’effetto Holton–Tan possa indebolirsi o perfino cambiare segno nella parte avanzata dell’inverno.
Quest’ultimo punto è fondamentale perché mostra come la teleconnessione QBO-vortice sia intrinsecamente evolutiva. Non esiste una risposta statica del vortice alla QBO. La QBO modifica inizialmente la propagazione delle onde, ma queste onde modificano il vortice e la surf zone; il vortice modificato altera a sua volta la propagazione delle onde successive. L’atmosfera evolve quindi attraverso una sequenza di feedback onda-flusso medio. Durante la prima parte dell’inverno, la fase orientale può predisporre la stratosfera a una maggiore convergenza dell’attività ondulatoria alle alte latitudini e quindi a un indebolimento del vortice. Una volta che il vortice è stato sufficientemente perturbato, tuttavia, lo stesso cambiamento dello stato medio può limitare ulteriori differenze tra le due fasi della QBO. La teleconnessione deve quindi essere interpretata come un problema di evoluzione non lineare e non come la semplice risposta lineare del vento polare a un indice tropicale.
Questa interpretazione richiama direttamente i risultati dei modelli meccanicistici di Holton e Austin e di O’Sullivan e Dunkerton. Tali esperimenti avevano dimostrato che la risposta alla QBO diventa particolarmente evidente quando il forcing delle onde planetarie possiede un’intensità intermedia. Se il forcing è molto debole, il vortice rimane stabile indipendentemente dalla fase tropicale; se è estremamente forte, il vortice viene comunque profondamente perturbato. È nella regione intermedia tra questi due regimi che la QBO può spostare il sistema da uno stato relativamente stabile a uno stato più disturbato. Il vortice appare quindi simile a un sistema vicino a una soglia dinamica, nel quale la QBO può aumentare oppure diminuire la probabilità di attraversare una transizione senza essere necessariamente la causa esclusiva della transizione stessa.
Questo concetto permette anche di comprendere perché gli SSW non seguano rigidamente la fase della QBO. La fase orientale aumenta statisticamente la predisposizione a un vortice più debole e perturbato, ma un grande evento ondulatorio troposferico può produrre un SSW anche durante una fase occidentale. Allo stesso modo, un inverno con QBO orientale può rimanere privo di grandi riscaldamenti se il forcing planetario proveniente dalla troposfera è insufficiente. È quindi più corretto parlare di una modulazione della vulnerabilità del vortice. La QBO modifica il terreno dinamico sul quale agisce la variabilità meteorologica, senza determinare da sola la successione degli eventi.
L’importanza dello stato iniziale del vortice introduce un’altra conseguenza: la stessa perturbazione tropicale può produrre risposte differenti nei due emisferi. Il vortice boreale e quello australe possiedono climatologie profondamente diverse. Nell’emisfero settentrionale la presenza delle grandi catene montuose e il forte contrasto termico terra-oceano producono onde planetarie stazionarie molto più intense, rendendo il vortice maggiormente variabile e favorendo SSW frequenti. Nell’emisfero australe, al contrario, la distribuzione più zonalmente simmetrica delle condizioni superficiali genera un vortice generalmente più intenso e persistente. La risposta della QBO si manifesta pertanto in momenti differenti della stagione: nell’emisfero settentrionale il segnale è particolarmente evidente durante la prima e la parte centrale dell’inverno, mentre nell’emisfero australe emerge soprattutto in prossimità della fase finale di decadimento del vortice.
Le differenze tra i due emisferi aiutano inoltre a comprendere perché non esista necessariamente un unico livello della QBO capace di rappresentarne ottimamente l’influenza. Nella letteratura classica, il vento attorno a 40–50 hPa è spesso risultato particolarmente efficace per descrivere la risposta boreale, mentre livelli più elevati, prossimi a 20–30 hPa, possono risultare maggiormente correlati con la risposta australe. Non bisogna però interpretare queste correlazioni come dimostrazione che la causalità abbia origine esclusivamente a un determinato livello. La QBO costituisce una struttura tridimensionale di venti e temperature caratterizzata da regimi di segno opposto sovrapposti verticalmente e da shear che propagano progressivamente verso il basso. Un indice ricavato a 50 hPa può quindi funzionare come indicatore statistico di una determinata configurazione verticale complessiva, senza essere necessariamente il livello fisico dal quale origina la teleconnessione.
Gli studi QBOi hanno rafforzato questa interpretazione mostrando che l’intensità della teleconnessione simulata con il vortice è correlata alla corretta ampiezza della QBO nella bassa stratosfera. Molti modelli presentano una QBO troppo debole attorno a 50 hPa e riproducono conseguentemente un effetto Holton–Tan più debole di quello osservato. L’interconfronto multimodello suggerisce quindi che almeno una parte degli errori nella teleconnessione non derivi da un meccanismo extratropicale completamente errato, ma da una perturbazione tropicale iniziale troppo debole.
L’analisi dei modelli CMIP6 ha comunque mostrato che la questione non può essere ridotta soltanto all’ampiezza della QBO. Elsbury, Peings e Magnusdottir hanno trovato che i modelli CMIP6 analizzati tendevano a sottostimare l’indebolimento del vortice associato alla fase orientale rispetto a ERA5. Un elemento particolarmente interessante emerso dal loro lavoro è il carattere longitudinalmente asimmetrico della teleconnessione: una migliore simulazione dell’effetto Holton–Tan era associata a una migliore rappresentazione delle modificazioni della circolazione e del wave breaking stratosferico soprattutto nel settore asiatico. Ciò indica che il collegamento tra QBO e vortice non deve essere pensato esclusivamente in termini di medie zonali. La climatologia delle onde stazionarie, la posizione geografica dei centri di attività ondulatoria e la struttura tridimensionale della circolazione costituiscono componenti fondamentali della risposta.
Integrazioni estremamente lunghe con WACCM hanno ulteriormente dimostrato che l’effetto Holton–Tan presenta una marcata dipendenza dalla longitudine e che una parte della risposta del vortice emerge attraverso modificazioni delle onde stazionarie che non possono essere descritte completamente mediante una rappresentazione zonalmente simmetrica. Gli ensemble lunghi migliaia di anni equivalenti sono particolarmente preziosi perché consentono di separare il debole segnale medio della QBO dalla grande variabilità interna che domina le serie osservazionali relativamente brevi.
Questo porta direttamente al problema dell’apparente variabilità decadale dell’effetto Holton–Tan. Nel record osservativo, l’intensità della relazione tra QBO e vortice varia considerevolmente tra diversi intervalli temporali. In passato tali variazioni sono state interpretate in relazione al ciclo solare undecennale, all’ENSO o ad altre forme di variabilità a bassa frequenza. Il ciclo solare costituisce un caso particolarmente interessante perché variazioni relativamente piccole della radiazione ultravioletta possono modificare la temperatura e l’ozono della stratosfera superiore, alterando il gradiente meridionale di temperatura e quindi la struttura dei venti zonali. Le analisi classiche di Labitzke e collaboratori mostrarono una relazione tra attività solare, fase della QBO e condizioni della stratosfera polare. Tuttavia, l’interpretazione causale di questa relazione rimane complessa poiché la combinazione delle fasi QBO e solari suddivide ulteriormente un record osservativo già breve, aumentando fortemente l’incertezza statistica. La letteratura ha quindi oscillato tra interpretazioni nelle quali il massimo solare inverte l’effetto Holton–Tan e altre nelle quali esso lo attenua o lo modifica senza produrre una vera inversione sistematica.
Dal punto di vista dinamico, è inoltre improbabile che QBO, attività solare ed ENSO esercitino effetti semplicemente additivi. La stratosfera costituisce un sistema non lineare nel quale ciascun forcing modifica lo stato sul quale agiscono gli altri. Se, per esempio, un forte episodio di El Niño ha già aumentato la propagazione delle onde planetarie verso la stratosfera polare e indebolito considerevolmente il vortice, l’ulteriore effetto della fase orientale della QBO può risultare meno evidente. In altre circostanze, la configurazione ENSO può invece amplificare il contrasto tra le due fasi della QBO. Di conseguenza, l’effetto combinato non deve necessariamente essere uguale alla somma delle singole risposte.
La relazione con ENSO è particolarmente significativa. El Niño tende mediamente a favorire un aumento della propagazione di onde planetarie verso la stratosfera boreale e un vortice più caldo e debole, mentre La Niña tende più frequentemente verso la configurazione opposta, sebbene la risposta dipenda dalla struttura dell’evento ENSO, dalla stagione e dallo stato atmosferico. La QBO può modificare questa teleconnessione attraverso almeno due percorsi. Il primo è un percorso stratosferico, nel quale la circolazione meridionale associata alla QBO modifica l’ambiente di propagazione delle onde planetarie. Il secondo interessa la troposfera superiore e la bassa stratosfera subtropicale, dove la QBO può alterare i getti e quindi la propagazione delle onde di Rossby generate dalle anomalie tropicali.
L’analisi di Kumar e collaboratori ha evidenziato esplicitamente questi due percorsi, mostrando che QBO ed ENSO possono modificare congiuntamente il vortice polare, i getti subtropicali e le configurazioni ondulatorie dell’inverno boreale. Nelle loro rianalisi la fase occidentale della QBO risultava associata a un vortice mediamente più intenso, mentre l’entità della risposta cambiava in funzione dello stato dell’ENSO. Gli autori hanno mostrato che El Niño può ridurre l’estensione verso il polo e l’ampiezza della circolazione meridionale associata alla QBO, modificando quindi il percorso attraverso il quale l’oscillazione tropicale comunica con la stratosfera extratropicale.
Risultati ancora più recenti ottenuti nell’ambito degli esperimenti QBOi dedicati all’ENSO confermano quanto sia difficile riprodurre correttamente questa interazione. L’interconfronto pubblicato nel 2025 ha mostrato che la forza della relazione Holton–Tan osservata non viene riprodotta uniformemente dai modelli sotto differenti condizioni ENSO; uno dei problemi principali rimane la debolezza della QBO nella bassa stratosfera modellistica. Le simulazioni mostrano inoltre una forte dispersione nella risposta della precipitazione tropicale e dei getti subtropicali, evidenziando come l’interazione QBO–ENSO costituisca ancora una delle aree più complesse della modellistica stratosfera-troposfera.
La possibilità che la QBO influenzi la troposfera attraverso percorsi differenti dal vortice polare amplia notevolmente il problema. Già studi precedenti avevano suggerito una relazione tra QBO e convezione tropicale profonda. Oggi è noto che la QBO modifica la temperatura della tropopausa tropicale, la stabilità della regione della tropopausa e lo shear verticale del vento nell’alta troposfera e nella bassa stratosfera. Queste variazioni possono influenzare l’attività convettiva e, attraverso di essa, la generazione e la propagazione delle onde tropicali e subtropicali. Pertanto, parte della relazione osservata tra QBO e circolazione extratropicale potrebbe non richiedere necessariamente un percorso esclusivo attraverso il vortice polare.
Questo aspetto assume particolare rilevanza quando si analizza la risposta superficiale della QBO. La visione classica interpreta il segnale alla superficie soprattutto come conseguenza dell’influenza discendente della stratosfera: la QBO modifica il vortice; il vortice modifica successivamente la circolazione troposferica e la NAO. Questa catena causale è supportata da numerosi studi, ma non rappresenta necessariamente l’unico percorso. Anomalie della QBO che si estendono nella bassa stratosfera subtropicale possono interagire direttamente con i vortici sinottici e con i getti troposferici, mentre eventuali modificazioni della convezione tropicale possono generare ulteriori teleconnessioni di Rossby.
La distinzione tra questi percorsi è particolarmente importante per la prevedibilità. La QBO stessa possiede una prevedibilità molto elevata rispetto alla circolazione meteorologica troposferica e può essere prevista con utile abilità con molti mesi di anticipo. Se le sue teleconnessioni con il vortice e con la troposfera sono fisicamente robuste e correttamente rappresentate dai modelli, essa costituisce quindi una sorgente preziosa di informazione per la previsione substagionale e stagionale. Esperimenti con sistemi previsionali operativi hanno mostrato che i modelli con una stratosfera meglio risolta tendono a riprodurre più chiaramente l’indebolimento del vortice durante la fase orientale della QBO, e che la conoscenza della fase della QBO può contribuire alla prevedibilità probabilistica dell’inverno extratropicale.
È comunque essenziale evitare un’interpretazione eccessivamente deterministica di tale prevedibilità. La QBO non consente di prevedere con mesi di anticipo se si verificherà uno specifico SSW, né determina automaticamente la fase della NAO. Essa modifica piuttosto le probabilità associate a differenti regimi dinamici. Questa distinzione è fondamentale: una sorgente di prevedibilità climatica può essere scientificamente e operativamente importante anche quando il segnale medio rappresenta soltanto una parte relativamente piccola della varianza totale. È proprio attraverso grandi ensemble previsionali che diventa possibile distinguere un piccolo spostamento della distribuzione probabilistica dalla variabilità meteorologica dei singoli membri.
Anche la relazione tra QBO e NAO deve essere interpretata con cautela. Le osservazioni suggeriscono una maggiore frequenza di configurazioni assimilabili alla NAO negativa durante la fase orientale della QBO e alla NAO positiva durante quella occidentale, soprattutto in determinati periodi dell’inverno, ma il record osservativo rimane relativamente breve e la risposta troposferica è meno robusta di quella stratosferica. Andrews e collaboratori hanno sottolineato che la limitata lunghezza del record osservativo rende particolarmente difficile stabilire senza ambiguità l’ampiezza delle teleconnessioni superficiali della QBO. Questa cautela è importante perché parte delle discrepanze tra modelli e osservazioni può derivare non da errori modellistici, ma dall’incertezza con cui viene stimata la risposta atmosferica reale.
Proprio su questo punto sono emersi risultati molto recenti che modificano in parte l’interpretazione dei precedenti confronti modellistici. Un’analisi pubblicata nel 2026 nell’ambito del Large Ensemble Single Forcing Model Intercomparison Project ha utilizzato complessivamente circa 65.000 anni di output modellistico proveniente da quattro centri di modellistica. Grazie all’enorme dimensione dei campioni, gli autori hanno potuto separare molto meglio le teleconnessioni della QBO dalla variabilità interna. Tutti e quattro i modelli hanno riprodotto un effetto Holton–Tan e, in due di essi, l’ampiezza delle principali teleconnessioni non risultava statisticamente distinguibile da quella osservata. Questo risultato suggerisce che alcune precedenti conclusioni secondo cui i modelli sottostimerebbero sistematicamente le teleconnessioni della QBO possano essere state almeno in parte influenzate dalle dimensioni insufficienti degli ensemble e dalla debole ampiezza della QBO simulata nella bassa stratosfera.
Lo studio del 2026 non elimina tuttavia il problema dei bias modellistici; piuttosto, ne raffina l’interpretazione. Quando la teleconnessione viene valutata mediante compositi delle fasi QBO, una QBO modellistica troppo debole produce inevitabilmente una risposta remota apparentemente troppo debole. Quando invece si normalizza la risposta rispetto all’ampiezza effettiva del vento equatoriale, alcuni modelli risultano molto più vicini alle osservazioni. In altre parole, il meccanismo di teleconnessione può essere ragionevolmente realistico mentre l’ampiezza della perturbazione tropicale che lo attiva è insufficiente. Questa distinzione è essenziale per lo sviluppo dei modelli perché implica soluzioni differenti: se è errata la dinamica della teleconnessione occorre correggere la propagazione e il wave breaking delle onde; se invece la teleconnessione per unità di forcing è corretta, il problema principale risiede nella rappresentazione della QBO stessa.
Lo stesso studio ha inoltre confermato che la QBO può produrre segnali superficiali di temperatura e precipitazione sulle regioni continentali delle medie latitudini e ha rilevato una risposta coerente con la modulazione della circolazione nord-atlantica. Tuttavia, la struttura e l’intensità di questi segnali cambiano tra i modelli, specialmente nei Tropici, dove le interazioni con ENSO possono assumere caratteristiche differenti. Questa dispersione rafforza l’idea che la teleconnessione QBO-superficie non debba essere considerata un singolo percorso dinamico, ma il risultato combinato di più meccanismi che possono assumere peso relativo diverso a seconda del modello e dello stato climatico.
Tutto ciò ha implicazioni dirette per il confronto fra modelli e osservazioni. Non è sufficiente classificare semplicemente gli inverni secondo il segno del vento equatoriale a un singolo livello e confrontare successivamente la temperatura polare. È necessario verificare se la QBO simulata possiede una struttura verticale comparabile a quella osservata, se la sua ampiezza nella bassa stratosfera è corretta, se la sua estensione latitudinale è realistica, se lo shear discendente avviene con la giusta velocità e se la climatologia del vortice è a sua volta corretta. Un modello con un vortice climatologicamente troppo forte potrebbe essere meno sensibile alla QBO; un modello con vortice troppo debole potrebbe invece trovarsi già in un regime nel quale un ulteriore forcing produce una risposta relativamente modesta. La qualità della teleconnessione dipende quindi contemporaneamente dalla qualità della QBO e da quella dello stato extratropicale sul quale essa agisce.
Questo concetto permette di comprendere anche perché la scelta dell’indice QBO sia tutt’altro che neutrale. Utilizzare il vento a 30, 40, 50 o 70 hPa può produrre risultati diversi, poiché ciascun livello seleziona configurazioni differenti della struttura verticale dell’oscillazione. Un indice basato su un angolo di fase costruito utilizzando più livelli può rappresentare più fedelmente l’evoluzione dell’intera QBO, ma introduce a sua volta altre scelte metodologiche. Non esiste quindi necessariamente un indice universalmente ottimale. Se il livello che massimizza la relazione con il vortice è differente in un modello rispetto alle osservazioni, ciò può riflettere un errore nella struttura della QBO, un bias nella climatologia del vortice o una differente rappresentazione del meccanismo di propagazione delle onde.
La questione assume particolare importanza quando si tenta di attribuire variazioni decadali dell’effetto Holton–Tan. Se la struttura verticale della QBO cambia da un ciclo all’altro, un indice a singolo livello può classificare come equivalenti inverni dinamicamente molto differenti. Inoltre, ENSO, ciclo solare e variabilità interna possono alterare contemporaneamente la propagazione delle onde. Parte della presunta modulazione decadale potrebbe quindi dipendere dal modo in cui vengono selezionati e classificati gli eventi. Per stabilire una vera variazione temporale della relazione causale sono necessarie analisi che considerino l’intera struttura verticale della QBO, la configurazione del vortice, l’attività ondulatoria e i principali forcing concomitanti.
In questa prospettiva, il concetto stesso di “memoria” atmosferica acquista un significato particolare. Alle alte latitudini, la transizione stagionale dall’estate all’inverno ricostruisce ogni anno il vortice e tende a cancellare gran parte della memoria dinamica dell’inverno precedente. Nei Tropici, invece, il debole vincolo radiativo sul vento e la lenta propagazione discendente della QBO permettono alla circolazione di conservare memoria per periodi molto più lunghi. La QBO può quindi trasferire alle latitudini superiori un’informazione che precede di molti mesi lo sviluppo del vortice invernale. Il meccanismo di trasmissione di questa memoria è costituito dalle modificazioni persistenti dell’ambiente di propagazione delle onde, non da un trasporto diretto di aria equatoriale verso il polo.
È proprio questa differenza delle scale temporali a rendere la QBO così importante per la dinamica climatica. Essa rappresenta un ponte tra la lenta evoluzione della stratosfera tropicale e la rapida variabilità della circolazione extratropicale. La QBO non elimina la natura caotica dell’inverno boreale, ma modifica lo spazio delle configurazioni dinamiche accessibili al sistema. Durante una fase, alcuni regimi possono risultare statisticamente più probabili; durante l’altra, può aumentare la probabilità di regimi differenti. L’effetto Holton–Tan può quindi essere considerato una manifestazione della capacità della QBO di deformare la distribuzione probabilistica degli stati del vortice.
La letteratura più recente rafforza anche la necessità di superare una visione esclusivamente zonale della teleconnessione. Il ruolo del settore asiatico evidenziato dai modelli CMIP6, la variazione longitudinale del wave breaking riscontrata nelle lunghe integrazioni WACCM e le differenti risposte delle onde di numero d’onda 1, 2 e 3 indicano che la geografia della propagazione ondulatoria è parte integrante del fenomeno. Ciò significa che la QBO non modifica semplicemente “quanto” forcing raggiunge il vortice, ma anche dove esso viene depositato, attraverso quali strutture ondulatorie e in quale momento della stagione.
Nel complesso, la ricerca accumulata dopo Holton e Tan conduce quindi a una concezione più articolata dell’accoppiamento QBO-vortice. L’ipotesi originale secondo cui lo spostamento delle regioni critiche modifica la propagazione delle onde rimane una componente importante, ma è oggi inserita in un quadro che comprende la circolazione meridionale indotta dalla QBO, le modificazioni dell’indice di rifrazione, il Rossby wave breaking, la struttura longitudinale delle onde stazionarie, lo stato preesistente del vortice e l’interazione con altri modi di variabilità. Nessuno di questi elementi deve necessariamente essere considerato esclusivo degli altri; è plausibile che la loro importanza relativa vari nel corso dell’inverno e da un anno all’altro.
Una conseguenza fondamentale è che l’effetto Holton–Tan non deve essere cercato come una firma perfettamente ripetibile. La sua robustezza risiede nella statistica di molti inverni e nella capacità dei modelli di riprodurre sistematicamente una modificazione della distribuzione degli stati stratosferici. Questa prospettiva riconcilia alcuni risultati apparentemente contraddittori della letteratura: un inverno individuale può mostrare un vortice molto forte durante la QBO orientale senza invalidare la teleconnessione, così come un modello può produrre occasionalmente SSW durante la QBO occidentale senza contraddire la relazione media. La questione rilevante è se, su campioni sufficientemente grandi, le probabilità dei differenti regimi cambino in modo sistematico.
Le grandi simulazioni multimodello oggi disponibili stanno rendendo questa distinzione sempre più chiara. Gli studi QBOi hanno mostrato che la teleconnessione del vortice è generalmente presente ma spesso debole nei modelli; i CMIP6 hanno evidenziato l’importanza della corretta ampiezza della QBO e della struttura longitudinale della risposta; gli enormi ensemble LESFMIP pubblicati nel 2026 indicano infine che, quando il campionamento diventa sufficientemente ampio e si tiene conto dell’ampiezza effettiva della QBO simulata, alcuni modelli sono capaci di produrre teleconnessioni molto più vicine alle osservazioni di quanto si ritenesse sulla base di ensemble più piccoli.
Il quadro scientifico contemporaneo non conduce quindi a un semplice rafforzamento della formulazione originale, ma a una sua maturazione concettuale. Esistono oggi forti evidenze che la QBO eserciti un’influenza causale sulla stratosfera extratropicale invernale, ma tale influenza è condizionata dallo stato del vortice, dall’intensità e dalla struttura delle onde planetarie, dalla stagione e da altre modalità della variabilità climatica. L’atmosfera non risponde alla QBO in maniera lineare e isolata: la QBO modifica un sistema già variabile, il quale reagisce in modo dipendente dal proprio stato.
Questa interpretazione rappresenta probabilmente il risultato più importante dell’intera letteratura sull’effetto Holton–Tan. La QBO non deve essere vista come un semplice interruttore tropicale capace di determinare alternativamente un vortice forte o debole, ma come una modulazione persistente dell’ambiente dinamico nel quale evolvono le onde planetarie e il vortice polare. Durante alcune configurazioni essa può avvicinare il sistema alla soglia necessaria per una profonda perturbazione; in altre può allontanarlo. Il risultato finale continua però a dipendere dalla successione delle onde troposferiche e dai feedback interni della stratosfera.
A oltre quarant’anni dal lavoro di Holton e Tan, la teleconnessione tra QBO e vortice polare rimane pertanto uno dei problemi più affascinanti della dinamica atmosferica proprio perché collega scale estremamente differenti: dalle onde tropicali e di gravità responsabili della QBO alle onde planetarie emisferiche, dalla stratosfera equatoriale al vortice artico e antartico, fino alla possibilità di una successiva influenza sulla NAO e sulla circolazione meteorologica superficiale. Le ricerche moderne non hanno eliminato questa complessità; l’hanno resa più chiaramente quantificabile. Esse mostrano che il meccanismo non è riducibile a un’unica linea di vento nullo, a un singolo livello della QBO o a una sola famiglia di onde, ma emerge dall’interazione tridimensionale e stagionalmente evolutiva dell’intero sistema atmosferico.
La sintesi più coerente con le evidenze attuali è quindi che la QBO rappresenti una sorgente reale, fisicamente plausibile e statisticamente significativa di modulazione della stratosfera extratropicale, ma che la sua influenza debba essere interpretata all’interno di una gerarchia di processi concorrenti e interagenti. La fase della QBO fornisce memoria e prevedibilità; le onde planetarie costituiscono il principale mezzo di comunicazione con le alte latitudini; lo stato del vortice determina la sensibilità della risposta; ENSO, attività solare e variabilità interna modificano il contesto nel quale tale risposta si sviluppa; e l’accoppiamento stratosfera-troposfera può infine trasmettere parte del segnale verso la superficie. È precisamente l’interazione fra questi elementi, più che l’azione isolata di uno solo di essi, a definire oggi il problema scientifico dell’accoppiamento QBO-vortice e a spiegare perché esso continui a rappresentare un importante banco di prova per i modelli climatici e per la previsione stagionale della circolazione atmosferica.
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