Processi Dinamici nella Stratosfera Artica nell’Inverno 2021–2022

Processi Dinamici nella Stratosfera Artica nell’Inverno 2021–2022
di Pavel N. Vargin, Andrey V. Koval e Vladimir V. Guryanov

La stagione invernale della stratosfera artica del 2021–2022 è stata caratterizzata da un vortice polare stratosferico stabile e freddo con un volume di nuvole stratosferiche polari (PSC) vicino ai valori massimi registrati dal 1980, prima dell’inizio degli eventi minori di riscaldamento stratosferico improvviso (SSW) a fine febbraio e inizio marzo e di un importante SSW il 20 marzo. L’analisi dei processi dinamici della stratosfera artica, utilizzando dati di ri-analisi, indica che le principali ragioni del rafforzamento del vortice polare stratosferico nei mesi di gennaio e febbraio sono la minima propagazione dell’attività delle onde planetarie dalla troposfera alla stratosfera negli ultimi 40 anni e la sua riflessione nella stratosfera superiore – mesosfera inferiore nella seconda metà di gennaio. Il primo SSW minore si è limitato alla stratosfera polare superiore, mentre il secondo si è propagato alla stratosfera media e inferiore e ha portato alla scomparsa delle PSC, impedendo un significativo depauperamento dell’ozono. Entrambi gli eventi SSW, minori e maggiori, hanno portato a un indebolimento della circolazione meridionale residua nella stratosfera artica superiore e al suo rafforzamento nella stratosfera media e inferiore, contribuendo a un ulteriore riscaldamento della regione subpolare e all’indebolimento del vortice polare.

1. Introduzione
La circolazione della stratosfera artica durante la stagione invernale, che di solito dura da novembre ad aprile, è caratterizzata da una forte variabilità intra-stagionale e interannuale. La caratteristica principale di questa circolazione è il vortice polare stratosferico, che si forma durante la notte polare. Il rafforzamento o l’indebolimento del vortice polare è dovuto a un’interazione non lineare con l’attività delle onde che si propagano nella stratosfera dalla troposfera: principalmente onde planetarie (PW) con numeri di onda zonale da 1 a 2. Un indebolimento improvviso del vortice polare stratosferico, accompagnato da un aumento della temperatura di decine di gradi e da una decelerazione della circolazione zonale, si verifica nell’Artico a seguito degli eventi di riscaldamento stratosferico improvviso (SSWs). Nel caso di un’inversione della circolazione zonale nella stratosfera media a un livello di pressione di 10 hPa a 60° N, gli eventi sono classificati come SSWs maggiori che si verificano in media due volte ogni tre inverni.

La generazione della maggior parte degli SSW è associata a un aumento della propagazione dell’attività delle onde dalla troposfera alla stratosfera. Tuttavia, alcuni SSW, come dimostrato dagli esperimenti con modelli, possono essere causati da processi dinamici interni associati a interazioni non lineari delle PW con il flusso medio. Le simulazioni con modelli hanno mostrato che le PW con numeri di onda zonale più elevati, 3-4, possono essere amplificate nella stratosfera durante gli SSW. L’analisi dei dati osservativi e dei calcoli dei modelli ha mostrato che la variabilità del vortice polare stratosferico artico potrebbe influenzare la circolazione della troposfera per 1-2 mesi. Tra gli altri studi sul couping dinamico stratosfera-troposfera, alcuni risultati sono necessari da menzionare. Esperimenti con GCM idealizzati hanno mostrato che i feedback vorticosi della troposfera sono necessari per spiegare la forza della risposta troposferica alla variabilità stratosferica. Utilizzando un quadro quasi-geostrofico (QG), è stato dimostrato che il drag delle onde troposferiche locali è importante per amplificare la risposta superficiale alla forzatura stratosferica e per mantenere e prolungare i segnali troposferici per diverse settimane. Simulazioni con un GCM complesso hanno rivelato che la dinamica interna della troposfera guidata dai vortici è cruciale per rafforzare e mantenere la risposta troposferica ai cambiamenti stratosferici associati al buco dell’ozono. Utilizzando l’inversione dell’equazione dell’attività delle onde di ampiezza finita, è stato dimostrato che le variazioni nella forzatura delle onde stratosferiche sono troppo deboli per spiegare i cambiamenti e le forme corrispondenti nel flusso troposferico. L’effetto indiretto dell’attività delle onde di ampiezza finita troposferica attraverso gli spostamenti residui è necessario per amplificare e mantenere la risposta troposferica alla variabilità stratosferica.Un aumento della temperatura della stratosfera polare, come risultato degli SSW, porta a una diminuzione del volume della massa d’aria all’interno del vortice polare stratosferico con condizioni sufficienti per la formazione di nuvole stratosferiche polari (d’ora in poi Vpsc). Sulle particelle del PSC, i componenti neutri di cloro e bromo vengono attivati eterogeneamente in composti attivi. Come risultato degli SSW e dell’aumento associato della temperatura, il Vpsc si riduce, e la formazione di atomi di cloro e bromo rallenta o si arresta, prevenendo così la distruzione severa dello strato di ozono. Le PSC sono anche responsabili della rimozione dei composti di acido nitrico (HNO₃) dalla stratosfera polare inferiore come risultato del deposito (“denitrificazione”), che è capace di neutralizzare gli atomi di cloro attivi e pericolosi per lo strato di ozono. Pertanto, un Vpsc più grande corrisponde a una maggiore probabilità di distruzione severa dello strato di ozono.

Durante gli SSW, a causa di cambiamenti nella propagazione delle onde gravitazionali e planetarie nella mesosfera, la temperatura diminuisce talvolta di decine di gradi, e l’altezza della stratopausa cambia anche. I cambiamenti di temperatura associati agli SSW influenzano le caratteristiche dinamiche della mesosfera e della termosfera inferiore, ad esempio, l’intensità di un’onda con un periodo di circa 10 giorni, così come la composizione dei gas di questa regione dell’atmosfera; si verifica un affondamento dalla mesosfera superiore alla mesosfera inferiore e alla stratosfera superiore, ad esempio, gli ossidi di azoto (NOₓ). Come risultato dell’aumento delle concentrazioni di NOₓ nella stratosfera polare, l’impoverimento dell’ozono aumenta.

È stato suggerito che l’aumento dei volumi massimi di PSC rilevati nell’Artico dal 1966 al 2003 fosse dovuto a cambiamenti nei processi di radiazione e dinamici causati da un aumento delle concentrazioni di gas serra. Un aumento dei casi di inverni stratosferici estremamente freddi favorevoli al depauperamento dell’ozono nell’emisfero settentrionale è stato segnalato dopo l’inverno artico freddo del 2004-2005.

Secondo le stime dei modelli, specialmente nelle condizioni dello scenario estremo di crescita delle concentrazioni di gas serra (SSP5-8.5), entro la fine del 21° secolo, è possibile un aumento della variabilità interannuale della circolazione della stratosfera artica e un aumento del Vpsc, che in alcuni anni può portare a una distruzione significativa dello strato di ozono.Gli inverni recenti sono stati caratterizzati da una forte variabilità interannuale nella circolazione della stratosfera artica. Per esempio, un vortice polare molto forte e freddo nel dicembre 2017 e gennaio 2018 è stato seguito da un importante SSW a metà febbraio che ha portato a un drammatico aumento della temperatura della stratosfera artica, così come al rovesciamento dei venti zonali e alla divisione del vortice polare stratosferico in due parti nella stratosfera inferiore e media, prevenendo così una forte perdita di ozono stratosferico in primavera.

L’inverno del 2018-2019 è stato caratterizzato da un importante SSW all’inizio di gennaio; di conseguenza, il vortice polare è rimasto indebolito e caldo nella stratosfera inferiore fino alla fine della stagione invernale, mentre nella stratosfera media e superiore si è ripreso rapidamente.

L’inverno del 2019-2020 è stato caratterizzato da un vortice polare stratosferico molto freddo e stabile, che ha portato a un depauperamento record dell’ozono nella stratosfera polare inferiore: circa il 90% in alcuni giorni. Questo inverno è stato anche caratterizzato da una stratopausa zonalmente asimmetrica. È stato suggerito che questa particolare anomalia invernale nella stratosfera artica fosse dovuta anche all’estremo dipolo dell’Oceano Indiano.

Nell’inverno del 2020-2021, la temperatura della stratosfera artica è aumentata a seguito del maggiore SSW all’inizio di gennaio, che è durato circa 3 settimane.

Il presente studio mirava ad indagare i processi dinamici della stratosfera artica nell’inverno del 2021-2022, che è stato caratterizzato da un forte vortice polare stratosferico all’inizio dell’inverno, due minori SSW a fine febbraio e inizio marzo, e il maggiore SSW il 20 marzo, che ha impedito un grave depauperamento dell’ozono.

2. Dati e Metodi
Lo studio dei processi dinamici della stratosfera artica e della loro variabilità interannuale è stato condotto utilizzando i dati di ri-analisi giornalieri globali NCEP e ERA5, con un limite superiore ai livelli di pressione di circa 30 km e 48 km, rispettivamente. Le anomalie per i dati di ri-analisi sono state calcolate rispetto ai valori medi climatici del periodo 1981-2010.

Abbiamo calcolato le ampiezze delle onde planetarie dominanti nella stratosfera con numeri di onda zonali da 1 a 3, il flusso di calore meridiano medio zonale, e i vettori del flusso di Plumb tridimensionali che caratterizzano la propagazione dei flussi di attività delle onde. Il flusso di attività delle onde planetarie 3D di Plumb, in confronto con il flusso bidimensionale di Eliassen–Palm, può fornire informazioni più regionalizzate sulle interazioni dinamiche stratosfera-troposfera e sulle peculiarità della propagazione dell’attività delle onde.

L’indice di riflessione dell’attività delle onde nella stratosfera superiore è stato calcolato come la differenza tra il vento medio zonale ai livelli di pressione di 2 hPa e 10 hPa nella regione tra 58° e 74° N. I suoi valori positivi corrispondono a condizioni sfavorevoli per la riflessione dei flussi di attività delle onde, mentre i valori negativi corrispondono a condizioni favorevoli.

Per analizzare il collegamento dinamico tra stratosfera e troposfera, sono state calcolate le anomalie giornaliere dell’altezza geopotenziale nella regione tra 65° e 90° N normalizzate sulla deviazione standard. Questi valori corrispondono all’indice del Modo Annuale del Nord (NAM) dopo essere stati moltiplicati per -1 per corrispondere all’Indice di Oscillazione Artica.

La variabilità interannuale e intra-stagionale dell’area e del volume della massa d’aria nella stratosfera inferiore all’interno del vortice polare stratosferico artico con temperature sufficienti per la formazione di PSC di tipo I è stata analizzata utilizzando le stime fornite dal progetto NASA Ozone Watch e calcolate secondo metodologie specificate.La data della rottura primaverile della circolazione stratosferica (o l’ultimo SSW) è stata definita come il giorno con il valore assoluto massimo della velocità di diminuzione del vento zonale nella stratosfera media a 10 hPa e vicino al suo massimo a 62.5° N. A causa delle forti oscillazioni nella velocità di cambiamento del vento zonale per determinare il minimo assoluto, i valori del suo gradiente temporale sono stati levigati su 31 giorni. Se, dopo l’inizio del SSW, il flusso medio zonale nella stratosfera media è stato ripristinato, come nell’inverno del 2017-2018, allora la data del massimo indebolimento del vento alla fine della stagione invernale è stata scelta come data di rottura primaverile.

Il calcolo dell’indice di blocco, tenendo conto dei cambiamenti nella posizione longitudinale e dell’intensità degli anticicloni di blocco nel tempo a un livello di pressione di 500 hPa, è stato effettuato secondo specifiche metodologie.

La circolazione meridionale media residua (RMC), causata dall’azione delle onde atmosferiche di varie scale spaziali e temporali, è stata stimata sulla base dell’approccio della media Euleriana trasformata (TEM) utilizzando i dati di ri-analisi MERRA-2, il cui limite superiore raggiunge circa 65 km. Le formule convenzionali per la RMC sono state utilizzate per fornire una diagnostica efficace degli impatti delle onde sul flusso medio e consentire il calcolo del trasporto meridionale di massa e traccianti nell’atmosfera. La RMC stima la parte residua del flusso medio, che rimane dopo la compensazione parziale della circolazione zonale media Euleriana dai flussi di massa, momento angolare e calore indotti dalle onde. Il calcolo della RMC permette di diagnosticare l’azione delle onde sul flusso medio e di stimare i processi di trasporto delle specie atmosferiche nel piano meridionale.

3. Risultati
3.1 Fattori esterni che influenzano il vortice polare stratosferico
Secondo l’analisi dei dati osservativi, il vortice polare stratosferico artico può essere influenzato dai seguenti fattori esterni: l’oscillazione El Niño/Southern Oscillation (ENSO), il ciclo quasi-biennale delle oscillazioni del vento zonale nella stratosfera equatoriale (QBO), l’oscillazione di Madden-Julian (MJO) nei tropici dell’Oceano Indiano, l’oscillazione decennale del Pacifico (PDO), le anomalie nella temperatura superficiale dell’Oceano Pacifico settentrionale, e la riduzione della copertura di ghiaccio nell’Artico.

Nell’inverno del 2021-2022, è stata osservata una fase fredda di La Niña dell’ENSO nell’Oceano Pacifico equatoriale, che di solito è accompagnata da un vortice polare stratosferico più freddo nell’Artico, il quale non contribuisce alla formazione degli SSW. Tuttavia, negli ultimi anni, alcuni importanti SSW si sono verificati nell’Artico durante le stagioni invernali di La Niña.

Le anomalie dell’altezza geopotenziale nella troposfera al livello di pressione di 500 hPa nel gennaio 2022 (un’anomalia negativa nel Pacifico settentrionale, una positiva sopra la Yakutia, una negativa sul territorio europeo della Russia e una positiva sull’Europa occidentale e sull’Atlantico settentrionale) sono paragonabili a quelle corrispondenti nel gennaio 1997 e nel gennaio 2011, quando anche la fase fredda di La Niña era osservata.

Nella stratosfera equatoriale, si osserva la fase orientale del QBO quando la propagazione dell’attività delle onde nella stratosfera verso l’equatore è difficile, il che comporta, di norma, un indebolimento del vortice polare stratosferico rispetto agli inverni con una fase occidentale. È interessante notare che le differenze compositive tra QBO-Est e QBO-Ovest probabilmente non sono informative sul meccanismo dietro la relazione Holton-Tan, poiché molti meccanismi diversi potrebbero dare origine alla risposta del vortice polare simile al NAM. Pertanto, è stata suggerita la risposta transitoria dell’atmosfera a una forzatura su scale temporali di alcuni giorni per comprendere il meccanismo di forzatura. Inoltre, è stato mostrato che il segnale precoce del QBO extratropicale durante l’autunno potrebbe risultare principalmente dalla modulazione dei cicli di vita delle onde individuali e dei cicli di vita stratosferici degli impulsi d’onda che entrano nella stratosfera dalla troposfera.

Secondo le statistiche, più della metà degli SSW (13 su 25) dal 1979 al 2013 sono stati osservati negli inverni con un aumento della convezione nei tropici del Pacifico occidentale, che corrisponde alla sesta e settima fase dell’oscillazione di Madden-Julian (MJO) [42]. Nel gennaio 2022, l’MJO è stata caratterizzata da un’ampiezza più bassa; non è stata registrata alcuna propagazione verso est delle anomalie associate.

La fase negativa dell’oscillazione decennale del Pacifico (PDO) osservata durante il 2021 si è intensificata verso la fine dell’anno: il suo indice ha raggiunto valori vicini al massimo degli ultimi 150 anni in ottobre (−3.11), in novembre-dicembre 2021 (−2.73, −2.71) e in gennaio-febbraio 2022 (−2.46, −1.98). Un’analisi dei calcoli d’insieme del modello del sistema terrestre MPI-ESM ha mostrato che la maggior parte degli SSW è stata osservata durante gli anni della fase positiva del PDO [52].

Nel gennaio 2022, sono state osservate anomalie positive della temperatura della superficie del mare (SST) nell’Oceano Pacifico settentrionale. Tali anomalie associate al Giro del Pacifico sono solitamente accompagnate da una ridotta propagazione dell’attività delle onde dalla troposfera alla stratosfera, risultando in un vortice polare stratosferico più forte nell’Artico [53,58].

La riduzione della copertura di ghiaccio nell’Artico, nei mari di Barents e Kara, può aumentare la propagazione dell’attività delle onde dalla troposfera alla stratosfera [54,59]. Secondo il National Snow and Ice Data Center degli Stati Uniti, la copertura di ghiaccio artico a settembre del 2021 era la più grande dal 2014, ammontando a circa 4.9 milioni di km quadrati, che è circa 1.5 milioni di km quadrati in meno rispetto ai valori medi a lungo termine dal 1981 al 2010.

Pertanto, la fase fredda di La Niña, la fase negativa del PDO e le anomalie positive delle SST nell’Oceano Pacifico settentrionale presumibilmente erano le principali condizioni esterne favorevoli per il vortice polare stratosferico artico freddo nell’inverno del 2021-2022.

3.2. Circolazione Zonale e Temperatura La circolazione della stratosfera artica nell’inverno del 2021–2022 è stata caratterizzata da un forte vortice polare stratosferico. Da metà gennaio 2022, il vento zonale medio a 60° N ha iniziato a superare i valori climatici (Figura 1a). Le anomalie positive più grandi nel vento zonale medio, fino a circa 40 m/s, sono state osservate nella stratosfera media e superiore in febbraio.

Il primo evento SSW minore alla fine di febbraio è stato limitato alla stratosfera polare superiore e non ha influenzato il vento zonale a 10 hPa e al di sotto (Figura 1b). Successivamente, a seguito del secondo SSW minore all’inizio di marzo, il vento zonale medio nella stratosfera superiore e media si è indebolito, e i suoi valori si sono avvicinati a quelli climatici. Il 20 marzo, la direzione del vento zonale medio nella stratosfera media a 10 hPa e 60° N è cambiata, corrispondente al maggiore SSW (Figura 1b).

Nella stratosfera inferiore dell’Artico, si è osservato un rafforzamento delle anomalie negative della temperatura fino a −15 K a metà febbraio (Figura 2a). All’inizio di marzo, a seguito di un SSW minore, la temperatura della stratosfera polare inferiore è brevemente aumentata, e le anomalie sono diventate positive dopo che è stata osservata una nuova diminuzione della temperatura con anomalie negative fino a −12 K. Le anomalie negative mensili della temperatura nel vortice polare nella stratosfera inferiore a gennaio hanno raggiunto −10 K, mentre a febbraio sono arrivate fino a −16 K (Figura 2b,c). Solo dopo il maggiore SSW del 20 marzo le anomalie di temperatura nella stratosfera inferiore sono diventate positive.

Un’analisi della variabilità interannuale della temperatura minima della stratosfera inferiore dell’Artico mostra che, nell’inverno del 2021–2022, i suoi valori erano inferiori a quelli climatici (di alcuni gradi in dicembre-gennaio e di circa 15 K a fine febbraio e inizio marzo) e vicini ai valori corrispondenti degli inverni con il maggiore depauperamento dell’ozono, ovvero 1996-1997, 2004-2005, 2010-2011 e 2019-2020 (Figura 2d). Da metà marzo 2022, la temperatura minima della stratosfera inferiore dell’Artico è aumentata e, all’inizio di aprile, ha già superato i valori climatici a lungo termine e i valori delle stagioni con forte depauperamento dello strato di ozono, con l’eccezione dell’inverno 2004-2005.

La Figura 1 mostra le anomalie del vento zonale medio a 60° N e i valori medi climatici:

1. (a) Anomalie del vento zonale medio (colori) e valori medi climatici (contorni): Questo grafico rappresenta le variazioni del vento zonale nel tempo e in diverse altitudini. Le aree rosse indicano anomalie positive, dove il vento è più forte del normale, e le aree blu indicano anomalie negative, dove il vento è più debole del normale. L’intensa zona rossa a metà febbraio evidenzia un notevole aumento del vento zonale.
2. (b) Vento zonale medio a diversi livelli di pressione: Questo grafico mostra il vento zonale medio per diverse altitudini, dalla bassa stratosfera (70 hPa) fino quasi al limite con la mesosfera (1 hPa). Un calo marcato del vento zonale in marzo attraverso tutti i livelli indica un evento di riscaldamento stratosferico improvviso (SSW).
3. (c) Anomalie del vento zonale al livello di 1 hPa: Concentrandosi su un alto livello stratosferico, questo pannello dettaglia le anomalie del vento zonale molto al di sopra, con i contorni che mostrano i valori medi climatici. Anche qui, le variazioni di colore dal blu al rosso riflettono significative fluttuazioni del vento.

In sintesi, la Figura 1 illustra le dinamiche complesse e significative variazioni del vento zonale nella stratosfera artica, evidenziando periodi di anomalie positive e negative che sono indicative di attività atmosferica intensa, inclusi potenziali eventi di riscaldamento stratosferico.

La Figura 2 presenta diverse visualizzazioni relative alle anomalie di temperatura e alle temperature minime nella stratosfera artica, concentrandosi sull’area compresa tra 70° e 90° N. Ecco una spiegazione dettagliata di ciascun pannello:

1. (a) Anomalie di temperatura medie da novembre 2021 ad aprile 2022: Questo grafico a linee mostra le anomalie di temperatura lungo l’asse verticale (che indica l’altitudine in hPa) e l’asse orizzontale (che indica il tempo). Le linee di contorno e le colorazioni aiutano a visualizzare se queste anomalie sono sopra o sotto la media climatica, evidenziando i cambiamenti significativi nella temperatura stratosferica durante questo periodo.
2. (b) e (c) Anomalie di temperatura nella stratosfera bassa a 70 hPa in gennaio e febbraio 2022: Queste mappe polari mostrano le anomalie di temperatura a 70 hPa, con aree in blu che rappresentano temperature inferiori alla media, e quelle in rosso che indicano temperature superiori. Queste mappe evidenziano variazioni notevoli e anomalie estreme in specifiche aree sopra l’Artico.
3. (d) Temperatura minima media a 70 hPa durante gli inverni di diversi anni e la media climatica 1979-2020: Questo grafico a linee illustra la temperatura minima media per diversi anni selezionati e la media climatica, con le linee orizzontali che indicano le soglie di formazione delle nuvole stratosferiche polari (PSC) di tipo I e tipo II. Questo grafico è cruciale per mostrare come le temperature estreme possano influenzare la formazione delle PSC, correlate alla distruzione dell’ozono stratosferico.

In sintesi, la Figura 2 fornisce un’analisi dettagliata delle condizioni termiche nella stratosfera artica, evidenziando l’importanza delle temperature estreme e il loro impatto sui fenomeni atmosferici significativi come la formazione di PSC e il degrado dell’ozono.

3.3. Attività delle Onde Planetarie

È noto che l’intensità della propagazione dell’attività ondulatoria verso l’alto nella bassa stratosfera nei mesi di gennaio e febbraio determina in gran parte la temperatura della bassa stratosfera in marzo [60]. Un’analisi della variabilità interannuale dell’attività ondulatoria ha mostrato che, nell’inverno del 2021-2022, la propagazione dell’attività ondulatoria, caratterizzata da un flusso di calore medio zonale nella bassa stratosfera a 100 hPa mediata sulla regione tra 45°–75° N, in gennaio-febbraio 2022 è stata la più bassa dal 1980 (Figura 3a). È importante notare che, sebbene negli inverni con il più alto esaurimento dell’ozono nella stratosfera artica (1996–1997, 2010–2011, 2019–2020) la propagazione dell’attività ondulatoria in media in gennaio-febbraio fosse leggermente superiore a quella di gennaio-febbraio 2022, la temperatura della bassa stratosfera in questi anni era di 10–15 K più bassa in marzo rispetto a marzo 2022. Questo è spiegato dal minore SSW (Riscaldamento Stratosferico Improvviso) che si è verificato all’inizio di marzo e dal maggiore SSW il 20 marzo.

Durante l’inverno analizzato, il primo aumento della propagazione dell’attività ondulatoria fu osservato nella seconda metà di dicembre, e poi l’aumento più forte fu osservato alla fine di febbraio – inizio marzo, accompagnato dal minore SSW e nella seconda metà di marzo durante il maggiore SSW (Figura 3b).

Inoltre, sono state analizzate le ampiezze delle Onde Planetarie (PW) predominanti nella stratosfera con numeri d’onda zonali da 1 a 3 (PW1–PW3) per livelli dalla troposfera superiore (300 hPa) alla stratosfera superiore (3 hPa) (Figure 3c–f). Le ampiezze delle onde sono state stimate nella regione dal 50° N al 70° N utilizzando i dati di rianalisi ERA5.

Nella stratosfera superiore, PW1 ha dominato per tutta la stagione invernale con valori massimi da 1500–1600 gpm alla fine di dicembre 2021 e circa una settimana dopo (quando l’indebolimento di PW1 fu accompagnato da un netto aumento di PW2) all’inizio di gennaio 2022 (Figura 3c). È interessante notare che l’intensificazione di PW2 negli ultimi giorni di dicembre è stata tracciata dalla troposfera superiore fino alla stratosfera superiore.Nella stratosfera media a 10 hPa, PW1 ha anch’esso dominato con un massimo di oltre 1000 gpm all’inizio di marzo, quando fu osservato il secondo minore SSW (Figura 3d). Durante il maggiore SSW del 20 marzo, PW1 si è intensificato, ma i suoi valori non hanno superato i 500 gpm.

Nella stratosfera inferiore a 70 hPa, le ampiezze di PW1 e PW2 da novembre a inizio marzo erano comparabili (Figura 3e). PW1 si è indebolito a metà marzo, e PW2 si è intensificato, seguito da un’intensificazione marcata dell’onda 1 alla fine di marzo (cioè, durante il maggiore SSW), che ha raggiunto un picco di 540 gpm. Pertanto, il maggiore SSW nella seconda metà di marzo è stato accompagnato da un aumento dell’ampiezza di PW1 nella stratosfera inferiore e media ed è stato caratterizzato da uno spostamento del vortice polare stratosferico dal polo alla Siberia orientale.

Nella troposfera superiore, le ampiezze di PW1–3, come previsto, erano caratterizzate da valori simili (Figura 3f). La ragione per l’intensificazione dell’onda 2 nella troposfera a fine dicembre 2021–inizio gennaio 2022, che, come notato in precedenza, poteva essere tracciata fino alla stratosfera superiore, era l’intensificazione di due anticicloni bloccanti: il primo da metà a fine dicembre sopra l’Atlantico Nord, e il secondo, più intenso, sopra l’oceano Pacifico nord dal tardo dicembre a metà marzo, con un indebolimento nella seconda metà di febbraio (Figura 3g).

Il minore SSW all’inizio di marzo 2022 è stato accompagnato da un aumento della propagazione dell’attività ondulatoria dalla troposfera alla stratosfera, che ha portato a una decelerazione della circolazione zonale (Figura 4a). Nella stratosfera inferiore, la più forte propagazione verso l’alto dell’attività ondulatoria è stata osservata sul nordest dell’Eurasia e meno intensiva sul nord dell’Atlantico, mentre, nella stratosfera media, solo sulla prima regione (Figura 4b,c).Circa una settimana dopo, a causa dell’indebolimento del vento zonale medio nella stratosfera media, fu osservata una riflessione dell’attività ondulatoria nella troposfera sulle alte latitudini del Nord America (Figura 4d–f). La propagazione verso l’alto dell’attività ondulatoria diminuì. Nella stratosfera inferiore, fu osservata una propagazione verso l’alto dell’attività ondulatoria sul nordest dell’Eurasia e il nord dell’Oceano Pacifico, così come sul nord della Scandinavia e il Mare di Barents, nella stratosfera media (sopra la Mongolia) e sul nord della Cina.

Durante il maggiore SSW, la propagazione dell’attività ondulatoria nelle stratosfere inferiore e media aumentò ed era più forte sul sud della Siberia (Figura 4g–i).

L’indebolimento del vento zonale medio nella stratosfera durante il SSW può portare a condizioni in cui l’attività ondulatoria è riflessa verso il basso nella stratosfera media-inferiore a causa dello shear del vento. Questa riflessione potrebbe influenzare la circolazione troposferica e portare ad anomalie meteorologiche [61–63]. Più spesso, la riflessione dell’attività ondulatoria fu osservata sul nord del Nord America.

Studi precedenti hanno mostrato che le forze naturali e antropogeniche (incluse ENSO, QBO, GHG e sostanze che riducono l’ozono) possono influenzare significativamente la circolazione stratosferica su larga scala che favorisce gli eventi di riflessione dell’onda verso il basso e gli impatti associati sulla superficie (ad esempio, [64,65]).

L’indice di rifrazione medio zonale calcolato usando il metodo nel [31] mostra che le condizioni per la riflessione dell’attività ondulatoria nella stratosfera superiore furono osservate nella seconda metà di gennaio e poi dal 20 febbraio, quando il vento zonale medio rallentò per la prima volta nella stratosfera superiore (Figura 1a), fino alla fine di marzo 2022 (Figura 5). Come mostrato in precedenza, la riflessione dell’attività ondulatoria fu osservata nella stratosfera inferiore sul nord del Nord America dopo il secondo minore SSW (Figura 4d–f).

La Figura 3 include diversi pannelli che illustrano vari aspetti della circolazione atmosferica e delle onde planetarie (PW), utilizzando dati di reanalisi e misurazioni di vari parametri atmosferici. Ecco una spiegazione dettagliata per ciascun pannello:

Pannello (a)

• Questo grafico mostra la temperatura media della stratosfera bassa (70 hPa) tra i 70° N e 90° N nel mese di marzo.
• Ogni punto rappresenta un anno dal 1979 al 2022, con l’asse delle ascisse che mostra il flusso di calore medio zonale a 100 hPa tra i 45° N e 75° N in gennaio-febbraio.
• L’asse delle ordinate mostra la temperatura in Kelvin.
• Si può osservare una correlazione tra il flusso di calore zonale e la temperatura della stratosfera bassa, indicando come variazioni nel trasporto di calore possano influenzare la temperatura stratosferica.

Pannello (b)

• Questo grafico mostra il flusso di calore zonale medio alle latitudini tra 50° N e 80° N, a livelli di pressione di 30 hPa e 100 hPa.
• Il grafico copre il periodo da novembre 2021 a aprile 2022 e include due curve, mostrando la variabilità stagionale del flusso di calore.

Pannelli (c-f)

• Questi grafici illustrano le ampiezze delle onde planetarie PW1, PW2, e PW3 a diversi livelli di pressione: 3 hPa, 10 hPa, 70 hPa e 300 hPa, rispettivamente.
• Le ampiezze sono mediate tra i 50° N e 70° N e rappresentano la forza e la variabilità delle onde in differenti strati dell’atmosfera.

Pannello (g)

• Mostra una sezione trasversale temporale e longitudinale dell’indice di blocco atmosferico a 500 hPa, lisciato con una media mobile di 5 giorni.
• L’indice di blocco è una misura che indica quanto forte è l’interruzione del flusso zonale, con valori più alti che indicano blocchi più intensi.
• Il grafico copre il periodo da novembre 2021 a aprile 2022, mostrando dove e quando si sono verificati blocchi significativi, influenzando così il clima di diverse regioni.

Ogni pannello della Figura 3 fornisce una visione dettagliata di come l’attività delle onde planetarie e altri fattori atmosferici interagiscono e influenzano il clima a diverse scale spaziali e temporali.

La Figura 4 presenta vari pannelli che illustrano la dinamica delle onde planetarie e il flusso di Plumb nel contesto delle onde nella stratosfera. Ecco una spiegazione dettagliata di ciascun pannello, che mostra i dati di diversi periodi nel marzo 2022:

Pannelli (a-c) per il periodo 2-4 marzo:

• Pannello (a): Diagramma di altitudine-latitudine che mostra le componenti del flusso di Plumb (Fy e Fz, dove Fz è moltiplicato per 100) per una migliore visualizzazione, rappresentate da frecce, insieme al vento zonale medio zonale (rappresentato da contorni in m/s).
• Pannello (b) e (c): Illustrano la componente verticale del flusso di Plumb (Fz) ai livelli di pressione di 30 hPa e 100 hPa rispettivamente, mostrando la media nel periodo specificato.

Pannelli (d-f) per il periodo 8-10 marzo:

• Analogamente ai primi tre pannelli, (d) mostra il diagramma di altitudine-latitudine con flusso di Plumb e vento zonale.
• (e) e (f) si concentrano sulla componente verticale del flusso di Plumb a 30 hPa e 100 hPa rispettivamente, illustrando come cambia la situazione nei giorni successivi rispetto ai primi del mese.

Pannelli (g-i) per il periodo 18-20 marzo:

• (g) segue lo stesso schema del pannello (a), ma per una data successiva, fornendo un confronto di come le dinamiche atmosferiche si siano evolute nel corso del mese.
• (h) e (i) mostrano la componente verticale del flusso di Plumb per gli stessi livelli di pressione dei pannelli precedenti, ma durante il periodo del 18-20 marzo.

Questi diagrammi sono utili per osservare come le interazioni tra onde planetarie e il vento zonale cambiano nel corso di un mese e possono avere implicazioni sul tempo atmosferico e sulla circolazione generale. La rappresentazione del flusso di Plumb (un metodo per quantificare il trasporto d’onda) aiuta a visualizzare come l’energia e la quantità di moto siano trasportate attraverso l’atmosfera in risposta a variazioni della circolazione atmosferica.

La Figura 5 mostra l’indice di rifrazione zonale medio dell’attività ondulatoria dal 1 novembre 2021 al 30 aprile 2022. Questo indice è un indicatore utile per comprendere la capacità dell’atmosfera di guidare o riflettere le onde atmosferiche, che sono importanti per la dinamica del clima e la circolazione atmosferica. L’indice di rifrazione è calcolato utilizzando i dati di reanalisi ERA5.

Spiegazione della grafica:

• Asse orizzontale (tempo): La scala temporale si estende dal 1 novembre 2021 al 30 aprile 2022, permettendo di osservare le variazioni stagionali dell’indice di rifrazione nel periodo autunno-primavera.
• Asse verticale (indice di rifrazione): I valori sull’asse verticale rappresentano l’indice di rifrazione misurato in metri quadrati al secondo al quadrato (m²/s²). Questi valori possono essere positivi o negativi, indicando diverse proprietà di rifrazione delle onde atmosferiche.

Interpretazione dei dati:

• Valori Positivi: Indicano che l’ambiente atmosferico è più favorevole alla propagazione delle onde. Un ambiente con un indice di rifrazione positivo permette alle onde di viaggiare attraverso l’atmosfera senza essere significativamente ostacolate o deviate.
• Valori Negativi: Sono indicative di condizioni in cui le onde sono più propense a essere rifratte o riflesse dall’ambiente atmosferico. Questo può avvenire quando ci sono forti gradienti di temperatura o vento che influenzano il percorso e l’intensità delle onde atmosferiche.

Tendenze osservate:

• Nel grafico si osservano varie fluttuazioni dell’indice nel periodo considerato, con picchi e valli che potrebbero corrispondere a cambiamenti significativi nei modelli atmosferici o a eventi meteorologici particolari. Ad esempio, un picco negativo intorno a marzo 2022 potrebbe suggerire una forte riflessione delle onde, potenzialmente legata a fenomeni come riscaldamenti stratosferici improvvisi (SSW) che hanno effetti a cascata sulla circolazione atmosferica.

Questo tipo di analisi è cruciale per i meteorologi e i climatologi per prevedere e comprendere meglio i complessi modelli di circolazione atmosferica e per analizzare l’impatto di fenomeni a larga scala come El Niño, la QBO (Oscillazione Quasi-Biennale), e altre oscillazioni climatiche.

3.4. Modalità Annuale Nordica (NAM)

Un’analisi delle variazioni nella modalità annuale nordica (NAM) ha mostrato un rafforzamento del vortice polare stratosferico tra la fine di novembre e l’inizio di dicembre 2021 e una propagazione piuttosto rapida e continua delle anomalie di circolazione dalla stratosfera media alla troposfera (Figura 6a). Circa dalla metà di gennaio alla fine di febbraio, è stata osservata la successiva intensificazione del vortice polare stratosferico, che tuttavia non è stata caratterizzata dalla propagazione continua delle anomalie di circolazione stratosferica nella troposfera. Circa dal 20 marzo, quando si è verificato il maggiore SSW, il vortice polare stratosferico si è indebolito, accompagnato all’inizio di aprile da una propagazione quasi sincrona delle anomalie di circolazione dalla stratosfera media-inferiore alla troposfera inferiore, includendo la propagazione di un’area con valori che superano 1,5 unità di deviazione standard (σ).

Contemporaneamente alla propagazione delle anomalie di circolazione dalla stratosfera alla troposfera tra la fine di novembre e l’inizio di dicembre 2021, si è verificato un forte aumento dell’indice dell’oscillazione artica (AO) da valori negativi a fine novembre (~−1.5 σ) a valori che superano i 3 σ (Figura 6b). Entro la fine di dicembre, l’indice AO è diminuito nuovamente, raggiungendo i valori minimi per la stagione invernale (fino a −2.2 σ), il che indica una diminuzione del trasporto zonale e un aumento del trasporto meridionale nella troposfera. Successivamente, l’indice AO è aumentato di nuovo e (ad eccezione di 3 giorni all’inizio di febbraio) è rimasto positivo fino alla fine di marzo. Ad aprile, l’indice AO è stato prevalentemente negativo.

Si può supporre che il rafforzamento dell’indice AO a fine novembre-inizio dicembre 2021, così come il suo indebolimento all’inizio di aprile 2022, possano essere associati rispettivamente al rafforzamento e all’indebolimento del vortice polare stratosferico.

Studi precedenti basati sull’interazione di onde di ampiezza finita con il flusso medio hanno mostrato che la migrazione verso il basso delle anomalie dei venti extratropicali a seguito degli SSW e di eventi di vortice forte è largamente attribuibile agli aggiustamenti dinamici indotti dal forzamento ondoso di ampiezza finita [66,67]. Gli effetti non conservativi, d’altra parte, contribuiscono a mantenere i segnali verso il basso nella fase di recupero all’interno della stratosfera, suggerendo l’importanza della miscelazione e del riscaldamento diabatico. Presumibilmente, questi fattori potrebbero essere stati responsabili della propagazione verso il basso dell’indice NAM a seguito di eventi di vortice forte e SSW nell’inverno del 2021-2022.

La Figura 6 illustra due aspetti chiave della dinamica atmosferica relativa alla Modalità Annuale Nordica (NAM) e all’Indice di Oscillazione Artica (AO) tra novembre 2021 e aprile 2022:

Pannello (a) – NAM Anomalia

• NAM: Questo grafico mostra l’anomalia del NAM lungo vari livelli di pressione atmosferica, dalla superficie fino a 10 hPa, coprendo quasi tutta la stratosfera.
• Visualizzazione: Le anomalie sono presentate in termini di deviazioni standard (σ), con il blu che indica valori negativi (rafforzamento del vortice polare e una NAM più “positiva”) e il rosso per valori positivi (indebolimento del vortice e una NAM più “negativa”). Le aree con contorni numerici mostrano la magnitudine delle anomalie rispetto alla media.
• Periodi chiave: Le barre verticali e le aree colorate aiutano a identificare periodi di variazione significativa, come l’indebolimento o il rafforzamento del vortice polare stratosferico, che hanno corrispondenze con eventi meteo significativi nella troposfera.

Pannello (b) – Indice AO

• AO Index: Il secondo grafico mostra l’indice di Oscillazione Artica (AO) durante lo stesso periodo.
• Trend e fluttuazioni: L’indice AO fluttua tra valori negativi e positivi, indicando le variazioni nel trasporto zonale e meridionale nell’atmosfera. Un valore positivo dell’AO è generalmente associato a un forte vortice polare e condizioni più calme e miti nelle medie latitudini, mentre valori negativi sono associati a un vortice polare indebolito e potenziali ondate di freddo nelle medie latitudini.
• Correlazioni: Analizzando l’andamento dell’AO insieme alle anomalie del NAM, è possibile correlare le fasi di rafforzamento e indebolimento del vortice con specifici comportamenti meteorologici.

Questi grafici sono strumenti essenziali per i meteorologi e i climatologi per comprendere e prevedere le dinamiche della circolazione atmosferica e le loro implicazioni sul tempo a scala globale. Le variazioni nell’indice NAM e AO possono avere impatto diretto sul clima delle regioni temperate e artiche, influenzando le condizioni meteorologiche stagionali.

3.5. Variazioni del Volume delle Nubi Stratosferiche Polari

Come precedentemente accennato, il “volume” del tipo I di Nubi Stratosferiche Polari (PSC) per l’inverno in generale caratterizza il grado di distruzione chimica dell’ozono: un Vpsc maggiore corrisponde a una maggiore distruzione chimica [15,16]. L’eccezione sono quegli inverni in cui, a seguito di un riscaldamento stratosferico improvviso (SSW) e l’associato significativo aumento di temperatura, le PSC formate scompaiono all’inizio della primavera, ovvero prima del periodo di depauperamento attivo dell’ozono.

La prima metà dell’inverno 2020–2021 è stata caratterizzata da un vortice polare stratosferico stabile e freddo. Di conseguenza, in dicembre-gennaio, i valori dell’area delle PSC nella bassa stratosfera e il Vpsc erano vicini o superavano i valori degli inverni “più freddi” del 2010–2011 e 2019–2020, con il maggiore depauperamento dell’ozono di tutti gli anni di osservazioni (Figura 7a). Il Vpsc durante l’inverno del 2021–2022 era vicino ai valori degli inverni 2010–2011 e 2019–2020 con il più alto depauperamento dello strato di ozono (Figura 7b). Dalla fine di febbraio 2022, si osservava una diminuzione piuttosto graduale del Vpsc a causa di un aumento del riscaldamento della bassa stratosfera. All’inizio di marzo, a seguito di un minore SSW, vi fu una netta diminuzione del Vpsc, e, a metà marzo, era vicino a zero. Il valore medio mensile del Vpsc nel gennaio 2022 era di circa 89 mln di cub. km, leggermente inferiore ai circa 93 mln di cub. km nel gennaio 2020, ma superiore ai 73,7 mln di cub. km nel gennaio 2011. Di conseguenza, il minore evento SSW all’inizio di marzo 2022 ha portato al riscaldamento della bassa stratosfera artica e ha impedito una forte distruzione dell’ozono.

Interessantemente, inoltre, una riflessione delle onde maggiormente accentuata nella stratosfera polare artica a causa di forti eventi di vortice può portare a un maggiore depauperamento dell’ozono in primavera attraverso due effetti: (1) l’effetto diretto in cui la circolazione residua è indebolita durante l’inverno, riducendo l’aumento tipico di ozono dovuto agli eventi di onde planetarie ascendenti; (2) l’effetto indiretto in cui la modifica della temperatura polare durante l’inverno porta alla formazione di più PSC che a loro volta aumentano la distruzione dell’ozono in primavera [68].

La Figura 7 comprende due pannelli distinti, (a) e (b), che illustrano le caratteristiche delle Nubi Stratosferiche Polari di tipo I (PSC I) durante diversi inverni:

1. Pannello (a) – Area delle PSC di tipo NAT a 460K nel MERRA2:
   • Questo grafico mostra l’area nella stratosfera bassa artica dove le temperature erano sufficientemente basse per permettere la formazione delle PSC di tipo I. L’area è rappresentata a una temperatura potenziale di 460 K (circa 125 hPa).
   • Le linee colorate rappresentano diversi periodi invernali: 2010–2011 (verde), 2019–2020 (rosso), 2021–2022 (blu), e la media climatica dal 1979 al 2021 (nero).
   • Si osserva un aumento stagionale dell’area idonea per la formazione delle PSC, con un picco tra gennaio e marzo, seguito da una diminuzione significativa verso la primavera.
2. Pannello (b) – Vpsc:
   • Questo grafico traccia il volume delle PSC di tipo I (Vpsc), misurato in milioni di metri cubi.
   • Le linee seguono gli stessi periodi invernali rappresentati nel grafico (a) e mostrano un andamento simile con un picco nei mesi centrali dell’inverno e una decrescita verso la primavera.

Entrambi i grafici mettono in evidenza le variazioni stagionali e annuali del volume e dell’area delle PSC, sottolineando come questi parametri possano variare significativamente tra gli anni e rispetto alla media climatica, influenzando direttamente il processo di distruzione dell’ozono stratosferico. Queste variazioni sono spesso collegate a fenomeni come il riscaldamento stratosferico improvviso (SSW), che può causare una rapida diminuzione di entrambi i parametri, cruciali per comprendere la dinamica dell’ozono.

3.6. Interruzione Primaverile della Circolazione Stratosferica

Nel periodo dal 1980 al 2022, il trend verso un’interruzione primaverile della circolazione sempre più tardiva è proseguito, mentre il trend negativo osservato è risultato insignificante (Figura 8a). La variabilità delle date di interruzione primaverile è coerente con i risultati ottenuti utilizzando i dati di rianalisi NCEP per il periodo 1971–2009, con un trend positivo significativo verso date più tarde [43], così come con i risultati ottenuti utilizzando i dati di rianalisi ERA-Interim per il periodo 1980–2017, dove il trend negativo è stato ritenuto insignificante [69].

Una debole correlazione, ma con un trend negativo statisticamente significativo, tra le date di interruzione primaverile e il Vpsc totale da dicembre a marzo è rimasta (Figura 8b). In precedenza, una correlazione simile (coeff. di corr. = -0.34) era stata riscontrata per il periodo 1980–2017 [69]. Questo è spiegato dal fatto che, dopo un periodo di basse temperature nella bassa stratosfera artica in gennaio e nella prima metà di febbraio, quando si forma un grande Vpsc, spesso segue un significativo riscaldamento nella media stratosfera in marzo-aprile con un’interruzione della circolazione.

È stato dimostrato che la prima funzione ortogonale empirica (EOF) della variabilità della temperatura intrastagionale nella stratosfera artica è caratterizzata dal fatto che, dopo un’anomalia di un segno nel range di 30–70 hPa alla fine di gennaio–prima metà di febbraio, segue un’anomalia di un altro segno a 10 hPa in marzo-aprile [70].

L’interruzione primaverile della circolazione è avvenuta il 4 marzo 2022, ovvero 9 giorni prima dell’inverno del 2019–2020, con un record di depauperamento dell’ozono nella bassa stratosfera artica (13 marzo), e il Vpsc medio per dicembre-marzo ha raggiunto circa 58 milioni di cub. km, che è solo circa 10 milioni di cub. km meno rispetto all’inverno 2019–2020.

Tuttavia, per la distruzione dello strato di ozono nella bassa stratosfera artica, il Vpsc in marzo, quando inizia la distruzione attiva dello strato di ozono con il sorgere del sole, è il più importante. Nel marzo 2020, il Vpsc era di circa 37,6 milioni di cub. km, mentre nel marzo 2022 era tre volte inferiore, a circa 11,4 milioni di cub. km. Allo stesso modo, i valori totali giornalieri del Vpsc per marzo differivano anche: circa 1167 milioni di cub. km nel 2020 e circa 355 milioni di cub. km nel 2022.

La Figura 8 presenta due grafici distinti, (a) e (b), che illustrano vari aspetti relativi alla data di interruzione della circolazione stratosferica primaverile e il volume delle Nubi Stratosferiche Polari (Vpsc) negli anni studiati:

1. Pannello (a) – Date di Interruzione Primaverile ERA-Int & ERA5 1980-2022:
   • Questo grafico è un diagramma di dispersione che mostra le date di interruzione della circolazione stratosferica primaverile dal 1980 al 2022, utilizzando dati ERA-Interim e ERA5.
   • Ogni punto nero rappresenta un anno specifico, posizionato in base al giorno dell’anno in cui si verifica l’interruzione. L’asse verticale misura il giorno dell’anno, con valori più alti che indicano un’interruzione più tardiva nella stagione.
   • La linea rossa indica una tendenza temporale, mostrando che nel complesso, le date di interruzione si sono spostate leggermente verso giorni più tardivi nel corso degli anni, anche se la tendenza è descritta come insignificante nel testo.
2. Pannello (b) – Date di Interruzione vs Vpsc (mln. cub. km) Dicembre 2021-Marzo 2022:
   • Questo grafico correla le date di interruzione primaverile con il volume medio di Vpsc (in milioni di metri cubi) accumulato da dicembre a marzo di ciascun anno.
   • L’asse orizzontale rappresenta il Vpsc, mentre l’asse verticale ancora una volta rappresenta il giorno dell’anno dell’interruzione.
   • La linea rossa in questo grafico mostra una tendenza al ribasso, indicando una correlazione tra un minore volume di Vpsc e un’interruzione primaverile più precoce. Questo suggerisce che anni con minori quantità di Vpsc tendono a avere un’interruzione della circolazione più anticipata.
   • Gli anni con una perdita significativa di ozono sono sottolineati, indicando che questi anni potrebbero avere caratteristiche particolari sia in termini di volume di Vpsc sia di timing dell’interruzione primaverile.

Questi grafici sono utili per comprendere come variazioni nel volume delle PSC possano influenzare la tempistica dell’interruzione della circolazione stratosferica, il che è fondamentale per studiare la dinamica dell’ozono stratosferico e i suoi cambiamenti nel tempo.

3.7. Variazioni della Circolazione Meridionale Residua e Media Zonale

Nell’ultimo inverno del 2019–2020, con un vortice polare stratosferico molto forte in febbraio-marzo, è stata osservata la formazione di una doppia struttura del massimo del vento medio zonale a getto, nella stratosfera superiore-mesosfera inferiore sopra i subtropici e alle alte latitudini con un massimo nella stratosfera media vicino ai 10 hPa [16,50]. Questa doppia struttura del vento medio zonale è favorevole alla riflessione dell’attività ondulatoria verso il basso, il che porta al rafforzamento e alla stabilizzazione del vortice polare stratosferico artico [23,71]. Si suppone che le ragioni del forte vortice polare nel 2019–2020 fossero la ridotta propagazione dell’attività ondulatoria dalla troposfera alla stratosfera e la riflessione dell’attività ondulatoria nella stratosfera superiore.

Una struttura doppia simile del vento medio zonale è stata rivelata nella seconda metà di gennaio 2022: il primo massimo con velocità superiore a circa 55 m/s nella stratosfera superiore-mesosfera inferiore sopra i subtropici, e il secondo massimo con velocità fino a circa 45 m/s vicino al livello di pressione dei 10 hPa sulle latitudini di 60°–70° N (Figura 9b). Tale separazione non è stata osservata né a dicembre 2021 né nella prima metà di gennaio 2022. Nella prima metà di febbraio 2022, è stata osservata la fusione dei massimi, accompagnata da uno spostamento del massimo nella stratosfera superiore verso le basse latitudini.

Un’analisi delle variazioni nella RMC è stata effettuata per i periodi di maggiore intensificazione del vortice polare stratosferico in gennaio 2022 durante la stagione invernale, così come il minore SSW all’inizio di marzo e il maggiore SSW il 20 marzo 2022.

Le Figure 9a e 9b mostrano le distribuzioni di latitudine e altezza della Circolazione Meridionale Residua (RMC) e del vento zonale medio secondo i dati MERRA-2, mediati su intervalli temporali di 20 giorni dal 23 dicembre 2021 all’11 gennaio 2022, prima della formazione del doppio massimo del vento zonale, e dal 12 al 31 gennaio 2022, quando un doppio massimo del vento zonale medio è stato osservato nella stratosfera superiore. La differenza tra questi periodi, mostrata nella Figura 8c, rivela che, nella bassa stratosfera polare, il vortice polare stratosferico si è intensificato fino a 15 m/s (cioè circa il 50%). Allo stesso tempo, nella stratosfera superiore, si è osservato un indebolimento del vortice nella regione polare e un aumento nella regione tra i 30° e 50° N. Sia il rafforzamento che l’indebolimento del vento zonale medio erano del 20-25%. Tenendo conto di questi cambiamenti, si può concludere uno spostamento del massimo del getto del vento zonale medio più vicino al polo alla base e verso le latitudini medie in alto, o una compressione della regione del vortice polare nella bassa stratosfera e la sua espansione nella stratosfera superiore.

Contemporaneamente alla suddetta deformazione del vortice polare, la RMC si è rallentata nella stratosfera subpolare superiore (sue componenti verticale e meridionale). Ciò ha portato a un raffreddamento adiabatico dell’area indicata. Infatti, durante il rafforzamento del vortice polare e la formazione della struttura del doppio massimo dal 12 al 31 gennaio, alle medie e alte latitudini si è osservata una diminuzione della temperatura, ad eccezione della regione subpolare nell’intervallo di altitudine di 30-40 km, dove, al contrario, si è verificato un riscaldamento. Questo riscaldamento era associato a uno spostamento di questa area del getto verso l’equatore (cioè, è stata osservata un’indebolimento del vento zonale in questa area), che ha contribuito a un aumento del gradiente di temperatura meridionale secondo la teoria del vento termico.

Sopra i 35-40 km, è stato osservato un significativo indebolimento del trasporto meridionale alle latitudini inferiori e superiori.

Considerando i rapidi cambiamenti nella dinamica della stratosfera artica che si verificano durante il SSW, sono state considerate le variazioni della RMC e del vento zonale medio per periodi di 5 giorni prima e durante il minore SSW dal 6 all’8 marzo (Figure 9d,e) e la loro differenza (Figura 9f), così come prima e durante il maggiore SSW del 20 marzo 2022 (Figure 9g,h) e i loro incrementi (Figura 9i). Il confronto dei periodi del 13-17 e 20-24 marzo 2022 (prima e durante il maggiore SSW), presentato nelle Figure 8g,h, mostra una diminuzione del vento zonale medio di circa 40 m/s a causa del maggiore SSW e un indebolimento, fino alla scomparsa parziale del ramo discendente della RMC nella stratosfera superiore artica (Figura 9h), che è stato accompagnato da un raffreddamento di quest’area durante il maggiore SSW. Nella stratosfera polare media e inferiore, al contrario, è stata evidente un aumento della RMC, in particolare nel suo ramo verticale, accompagnato da un aumento della temperatura durante il SSW, capace di dare un contributo aggiuntivo a questo riscaldamento a causa del riscaldamento adiabatico del flusso discendente. A seguito del minore SSW all’inizio di marzo (Figure 9d–f), la velocità media del vento zonale nella stratosfera media e superiore è diminuita significativamente (Figura 9f). In generale, le tendenze erano simili a quelle del maggiore SSW; tuttavia, gli effetti osservati erano più deboli; il rallentamento del ramo discendente della RMC nella stratosfera superiore artica e l’aumento negli strati inferiori corrispondono al raffreddamento e al riscaldamento di questi strati, rispettivamente.

La Figura 9 mostra le distribuzioni altitudinali e latitudinali delle componenti meridionali V e verticali W** della circolazione meridionale residua (in m/s, rappresentate come vettori) e del vento zonale medio (in m/s, rappresentato come ombreggiatura) in vari periodi temporali tra dicembre 2021 e marzo 2022. Ogni pannello fornisce dati per specifici intervalli di tempo, e sono visualizzate anche le differenze tra alcuni intervalli. Ecco una spiegazione dettagliata di ciascun pannello:

1. Pannelli (a), (b) e (c):
   • (a) Dal 23 dicembre al 1 gennaio: mostra le condizioni iniziali della circolazione e del vento zonale.
   • (b) Dal 12 al 31 gennaio: mostra le condizioni successive quando si è osservato un doppio massimo nel vento zonale.
   • (c) Differenza tra i periodi (a) e (b): evidenzia le modifiche nella circolazione e nel vento zonale dovute alla formazione di un doppio massimo.
2. Pannelli (d), (e) e (f):
   • (d) Dal 27 febbraio al 3 marzo: fornisce una vista della circolazione e del vento zonale prima del minore SSW.
   • (e) Dal 6 al 10 marzo: mostra le condizioni durante il minore SSW.
   • (f) Differenza tra i periodi (d) e (e): mostra le modifiche nella circolazione e nel vento zonale a seguito del minore SSW.
3. Pannelli (g), (h) e (i):
   • (g) Dal 13 al 17 marzo: presenta le condizioni prima del maggiore SSW.
   • (h) Dal 20 al 24 marzo: mostra le condizioni durante il maggiore SSW.
   • (i) Differenza tra i periodi (g) e (h): illustra le variazioni nella circolazione e nel vento zonale dovute al maggiore SSW.

Le contornature nere solide in ogni pannello indicano i punti dove il vento zonale medio è zero. Questo è un indicatore significativo delle transizioni nella direzione del vento zonale. I valori di W* sono stati moltiplicati per 200 per una rappresentazione più chiara nelle visualizzazioni, facilitando la visualizzazione delle variazioni verticali, che sono tipicamente più piccole rispetto alle componenti orizzontali.

Questa serie di pannelli fornisce una visione comprensiva di come la circolazione meridionale residua e il vento zonale cambiano in risposta a eventi atmosferici specifici, come il doppio massimo del vento zonale e gli eventi SSW, mostrando l’effetto di questi fenomeni sulla struttura atmosferica in termini di movimento verticale e orizzontale dell’aria nella stratosfera.

4. Riassunto

Nonostante le ricerche attive degli ultimi anni, i meccanismi responsabili della variabilità interannuale della dinamica della stratosfera artica in inverno rimangono ancora non completamente compresi. Oltre all’impatto di questa variabilità sullo strato di ozono e sulla alta atmosfera, i cambiamenti nella dinamica della stratosfera polare possono influenzare la circolazione della troposfera e i modelli meteorologici. L’estensione della nostra conoscenza sui meccanismi di variabilità interannuale della circolazione stratosferica e della stratosfera-troposfera è fondamentale per lo sviluppo delle previsioni stagionali [72]. Inoltre, va notato che negli ultimi anni c’è stato un aumento degli eventi climatici estremi; pertanto, studi di questo tipo, compresa un’analisi dettagliata dei processi dinamici, sono molto importanti in termini di identificazione di varie tendenze e di previsione delle stesse in futuro.

Nel corso dello studio della circolazione della stratosfera artica nell’inverno del 2021–2022, i principali risultati ottenuti sono descritti di seguito. Un forte e persistente vortice polare stratosferico è stato osservato da dicembre fino alla fine di febbraio, quando si è verificato il primo SSW minore, seguito dal secondo all’inizio di marzo, che ha aumentato la temperatura della stratosfera artica e ha significativamente diminuito il vento zonale medio. • Un grande volume di PSC si è formato nella bassa stratosfera ed era comparabile (alla fine di febbraio addirittura superiore) con i valori corrispondenti degli inverni con la maggiore distruzione dello strato di ozono (2010–2011 e 2019–2020); è rapidamente diminuito a valori vicini a zero a metà marzo 2022, il che ha impedito una significativa distruzione dell’ozono. • L’interruzione primaverile della circolazione stratosferica dell’emisfero nord è avvenuta il 4 marzo 2022, ovvero un mese prima della data climatica dal 1980 al 2017 (4 aprile). • Il rafforzamento dell’indice AO a fine novembre-inizio dicembre 2021 e il suo indebolimento all’inizio di aprile 2022 potrebbero essere associati al rafforzamento/indebolimento del vortice polare stratosferico. Le ragioni del rafforzamento del vortice polare stratosferico nell’inverno 2021–2022 presumibilmente erano le seguenti: la fase fredda dell’ENSO—La Niña, la minima propagazione dell’attività ondulatoria dalla bassa stratosfera alla stratosfera media-superiore in gennaio-febbraio dal 1979 che potrebbe anche essere correlata a La Niña [73,74], e la formazione della struttura del vento zonale medio con un massimo a doppio picco nella seconda metà di gennaio 2022. • L’indebolimento (rafforzamento) del ramo discendente della circolazione residua, osservato nella stratosfera subpolare superiore (media) durante sia il SSW minore e, in particolare, il maggiore SSW, ha contribuito al raffreddamento aggiuntivo (riscaldamento) della stratosfera artica. Come già menzionato sopra, è stata recentemente osservata una forte variabilità interannuale della stratosfera artica in presenza del continuo aumento dei GHG. Tenendo conto di un possibile rafforzamento del vortice polare nei prossimi decenni che potrebbe influenzare l’ozono polare e la circolazione della troposfera, è importante analizzare le peculiarità della dinamica stratosferica durante gli inverni freddi con un vortice polare stratosferico persistente e freddo. A questo proposito, una domanda deriva dal nostro studio: c’erano altri fattori oltre a La Niña che hanno contribuito alla più bassa attività di propagazione delle onde verso l’alto nella bassa stratosfera in gennaio-febbraio 2022 rispetto agli inizi degli anni ’80?

https://www.mdpi.com/2073-4433/13/10/1550#:~:text=Zonal%20Circulation%20and%20Temperature,values%20(Figure%201a).