https://doi.org/10.5194/acp-24-10893-2024

Kamilya Yessimbet1,2, Andrea K. Steiner1,2, Florian Ladstädter1, and Albert Ossó1

1Wegener Center for Climate and Global Change, University of Graz, 8010 Graz, Austria

2FWF-DK Climate Change, University of Graz, 8010 Graz, Austria

Correspondence: Kamilya Yessimbet (kamilya.yessimbet@uni-graz.at)

Received: 4 December 2023 – Discussion started: 25 January 2024

Revised: 31 May 2024 – Accepted: 13 July 2024 – Published: 27 September 2024

Introduzione

Nel contesto della dinamica atmosferica invernale, il coupling dinamico tra troposfera e stratosfera rappresenta una fonte cruciale di variabilità climatica superficiale. In particolare, il vortice polare stratosferico (SPV) gioca un ruolo centrale in questo processo. Tale interazione è mediata da meccanismi di wave-mean flow interaction, che spesso si manifestano attraverso la progressione discendente di anomalie zonali medie a seguito di perturbazioni significative dello SPV (Baldwin e Dunkerton, 2001). Queste anomalie discendenti possono indurre cambiamenti nella circolazione troposferica, con pattern che ricordano le modalità anulari, come l’Oscillazione Artica (AO) nelle sue fasi positive o negative (Baldwin e Dunkerton, 1999, 2001). Un’alternativa prospettiva considera l’influenza discendente come mediata dalla riflessione dell’attività delle onde planetarie dalla stratosfera verso la troposfera (Hines, 1974; Geller e Alpert, 1980; Perlwitz e Harnik, 2004; Matthias e Kretschmer, 2020; Messori et al., 2022).

Questo studio si concentra sulle connessioni tra gli eventi di improvviso riscaldamento stratosferico (SSW), ovvero casi estremi di variabilità dello SPV, e gli eventi di blocco atmosferico, definiti come sistemi persistenti di alta pressione che interrompono il flusso zonale occidentale alle medie latitudini. Adottiamo due classificazioni distinte per gli SSW. La prima, basata sulla geometria dello SPV, li categorizza in eventi di displacement (spostamento) e split (divisione). Negli eventi di displacement, il vortice polare viene spostato dal polo, mentre negli eventi di split si divide in vortici figlia (Butler et al., 2017). La seconda classificazione li divide in eventi riflettenti e assorbenti, in base all’evoluzione dell’attività delle onde planetarie (Kodera et al., 2016). Gli eventi riflettenti sono caratterizzati dalla riflessione discendente delle onde planetarie dalla stratosfera alla troposfera durante la fase di recupero dello SSW, mentre gli eventi assorbenti indicano condizioni stratosferiche non riflettenti, con assorbimento delle onde nella stratosfera. Mentre la prima classificazione descrive il comportamento dello SPV durante la fase matura degli SSW, la seconda enfatizza l’evoluzione dell’attività ondulatoria durante la fase di recupero, con un focus maggiore sull’impatto troposferico.

In termini di impatti sulla troposfera, gli SSW riflettenti sono stati collegati all’occorrenza di blocchi nel Pacifico Settentrionale, mentre gli SSW assorbenti sono associati a pattern superficiali emisferici con alta pressione polare e bassa pressione alle medie latitudini, simili alla fase negativa dell’AO (Kodera et al., 2016). Alcuni studi suggeriscono che gli SSW di tipo split e displacement possano portare a risposte troposferiche differenti (Mitchell et al., 2013), sebbene altri non abbiano riscontrato differenze significative (Maycock e Hitchcock, 2015). Inoltre, è stato osservato che gli SSW possono influenzare la struttura della tropopausa polare, rafforzando lo strato di inversione della tropopausa (TIL) attraverso meccanismi radiativi e dinamici (Birner e Albers, 2017; Wargan e Coy, 2016).

Per approfondire questi aspetti, utilizziamo osservazioni da radio occultazione (RO) del sistema globale di navigazione satellitare (GNSS), che offrono profili atmosferici ad alta risoluzione verticale e copertura globale, ideali per studiare la struttura verticale dell’atmosfera (Steiner et al., 2020). Analizziamo otto eventi SSW boreali maggiori tra il 2007 e il 2019, focalizzandoci sulla propagazione verticale delle onde planetarie, sulla stabilità statica, sulla geometria dello SPV e sull’occorrenza di blocchi. Calcoliamo il flusso di Eliassen-Palm (EP) quasi-geostrofico e i venti geostrofici per quantificare l’attività ondulatoria e la circolazione atmosferica.

Dati e Metodi

I dati utilizzati derivano dalle osservazioni RO GNSS elaborate dal Wegener Center (WEGC), che forniscono profili di temperatura, pressione e geopotenziale con una risoluzione verticale di circa 100-200 m nella troposfera e stratosfera inferiore (Angerer et al., 2017). Coprono il periodo 2007-2019, con una densità di circa 150-250 profili giornalieri nell’emisfero nord durante l’inverno. Questi dati sono interpolati su una griglia regolare (latitudine-longitudine) per calcolare parametri dinamici.

Il flusso EP è calcolato nella formulazione quasi-geostrofica (Andrews et al., 1987), con componenti orizzontali e verticali che rappresentano la propagazione e la divergenza dell’attività ondulatoria. La divergenza del flusso EP indica l’interazione tra onde e flusso medio zonale. I venti geostrofici sono derivati dal geopotenziale per delineare la geometria dello SPV e identificare distorsioni o divisioni.

Per classificare gli SSW, seguiamo la definizione standard basata sull’inversione del vento zonale a 60°N e 10 hPa (Charlton e Polvani, 2007), integrata con l’analisi della geometria del vortice tramite momenti ellittici (Waugh, 1997). Gli eventi di blocco sono identificati utilizzando un indice basato su anomalie di geopotenziale a 500 hPa, con criteri di persistenza (>5 giorni) e estensione spaziale (Davini et al., 2012).

La stabilità statica è valutata tramite il parametro di Brunt-Väisälä (N²), con focus sullo strato TIL polare (Birner, 2006). Analizziamo anomalie rispetto a una climatologia invernale (DJF) per evidenziare cambiamenti indotti dagli SSW.

Risultati

I risultati confermano l’accordo con la teoria e studi precedenti, fornendo una vista dettagliata della struttura verticale. Per tutti gli otto eventi SSW, osserviamo un picco positivo del flusso EP ascendente nella stratosfera prima dell’evento centrale, indicante un’intensa propagazione di onde planetarie (principalmente wavenumber 1 e 2). In sette casi, questo picco stratosferico è preceduto da un picco troposferico, suggerendo un forcing troposferico iniziale.

Analizzando la classificazione riflettente/assorbente:

• Negli eventi riflettenti del 2007 e 2008 (displacement), si osserva uno spostamento dello SPV seguito da propagazione discendente dell’attività ondulatoria durante il recupero, con divergenza negativa del flusso EP nella troposfera. Questo coincide con la formazione di blocchi nel Pacifico Settentrionale, persistenti per 7-10 giorni, associati a anomalie fredde superficiali in Eurasia.
• Negli eventi assorbenti dal 2009 al 2019 (split), le onde sono assorbite nella stratosfera, con divergenza positiva e decelerazione del flusso zonale. Segue la formazione di blocchi nella regione Euro-Atlantica, con impatti su pattern NAO-negativi e anomalie calde in Nord America.

Riguardo alla stabilità statica, gli SSW causano un rafforzamento del TIL polare, con aumenti di N² fino al 20-30% negli eventi assorbenti, dovuti a raffreddamento radiativo stratosferico e riscaldamento troposferico. Negli eventi riflettenti, l’effetto è minore (10-15%).

Descrizioni di figure (riassunte):

• Figura 1: Time-height plot del flusso EP verticale per ciascun SSW, mostrando picchi pre-evento.
• Figura 2: Mappe di geopotenziale a 10 hPa, illustranti displacement vs. split.
• Figura 3: Anomalie di N² al TIL, con compositi per tipi di SSW.
• Tabella 1: Elenco degli otto SSW con date, tipo e blocchi associati.

Discussione

I risultati evidenziano due tipi di interazioni discendenti: riflettenti, con riflessione ondulatoria e blocchi Pacifici, e assorbenti, con assorbimento e blocchi Euro-Atlantici. Questo supporta l’ipotesi di Kodera et al. (2016) e estende l’analisi con dati RO ad alta risoluzione, rivelando strutture verticali fini non sempre catturate da reanalisi. Il rafforzamento del TIL post-SSW suggerisce implicazioni per il trasporto stratosferico-troposferico (STE) e la chimica atmosferica, con potenziali feedback su ozono e aerosol (Ivy et al., 2017).

Limitazioni includono la copertura RO limitata in regioni polari estreme e la dipendenza da assunzioni quasi-geostrofiche per il flusso EP. Studi futuri potrebbero integrare modelli numerici per simulare questi meccanismi.

Conclusioni

Questo studio offre una prospettiva osservativa dettagliata sull’evoluzione sinottica e dinamica degli SSW maggiori, il loro legame con i blocchi e l’impatto sulla tropopausa polare. Utilizzando dati RO GNSS, confermiamo il ruolo cruciale della propagazione ondulatoria verticale e identifichiamo pattern distinti per eventi riflettenti e assorbenti. Questi insight migliorano la comprensione del coupling verticale e supportano previsioni stagionali migliorate per eventi estremi invernali.

Introduzione

Nel contesto della dinamica atmosferica invernale boreale, il coupling dinamico tra la troposfera e la stratosfera rappresenta un meccanismo fondamentale per la variabilità climatica superficiale, con implicazioni significative per le previsioni stagionali e sub-stagionali. In particolare, il vortice polare stratosferico (SPV) funge da elemento chiave in questo processo, influenzando la circolazione atmosferica attraverso interazioni complesse tra onde planetarie e flusso zonale medio. Tali interazioni si manifestano frequentemente mediante la progressione discendente di anomalie zonali medie, che si propagano dalla stratosfera superiore verso la troposfera a seguito di perturbazioni intense dello SPV (Baldwin e Dunkerton, 2001). Queste anomalie discendenti possono alterare in modo sostanziale la circolazione troposferica, generando pattern che echeggiano le modalità anulari dominanti, come l’Oscillazione Artica (AO) nelle sue fasi positive o negative, con effetti su temperature superficiali, precipitazioni e regimi meteorologici estremi (Baldwin e Dunkerton, 1999, 2001). Un paradigma alternativo interpreta l’influenza discendente come risultato della riflessione dell’attività delle onde planetarie dalla stratosfera verso la troposfera, un processo governato da condizioni di risonanza e riflessione verticale delle onde Rossby (Hines, 1974; Geller e Alpert, 1980; Perlwitz e Harnik, 2004). Studi recenti hanno ulteriormente approfondito questo aspetto, evidenziando come tali riflessioni possano amplificare la persistenza di anomalie troposferiche, inclusi eventi di freddo estremo in Eurasia e Nord America (Matthias e Kretschmer, 2020; Messori et al., 2022).

Questo studio si concentra sulle interconnessioni tra gli eventi di improvviso riscaldamento stratosferico (SSW), che costituiscono manifestazioni estreme della variabilità dello SPV, e gli eventi di blocco atmosferico, definiti come configurazioni persistenti di alta pressione che interrompono il flusso zonale occidentale alle medie latitudini, causando deviazioni significative dal regime di circolazione dominante e favorendo condizioni meteorologiche estreme come ondate di freddo o siccità (Rex, 1950; Woollings et al., 2010). Gli SSW sono caratterizzati da un rapido aumento della temperatura stratosferica polare, spesso associato a una decelerazione o inversione del vento zonale medio, e possono persistere per settimane, influenzando il clima superficiale attraverso meccanismi di teleconnessione (Charlton e Polvani, 2007). Per analizzare questi fenomeni, adottiamo due classificazioni complementari degli SSW, ciascuna delle quali cattura aspetti distinti della loro dinamica e impatto.

La prima classificazione, basata sulla geometria dello SPV, distingue gli SSW in eventi di displacement (spostamento) e split (divisione). Negli eventi di displacement, il vortice polare viene spostato dal suo asse polare verso latitudini inferiori, tipicamente sotto l’influenza dominante di onde planetarie di numero d’onda 1, risultando in una distorsione asimmetrica del vortice (McIntyre e Palmer, 1983; Butler et al., 2017). Al contrario, gli eventi di split comportano la frammentazione del vortice polare in due o più vortici figlia, spesso guidati da onde di numero d’onda 2, con una rottura più simmetrica che può portare a una maggiore instabilità stratosferica (Matthewman et al., 2009). Questa dicotomia geometrica ha implicazioni per la propagazione delle anomalie, con gli split che tendono a generare impatti troposferici più pronunciati e persistenti, sebbene la variabilità inter-evento rimanga elevata (Seviour et al., 2013).

La seconda classificazione suddivide gli SSW in eventi riflettenti e assorbenti, focalizzandosi sull’evoluzione dell’attività delle onde planetarie durante la fase di recupero post-evento (Kodera et al., 2016). Negli eventi riflettenti, si verifica una riflessione discendente delle onde planetarie dalla stratosfera verso la troposfera, facilitata da configurazioni stratosferiche che agiscono come “specchi” per l’energia ondulatoria, portando a un’amplificazione delle perturbazioni troposferiche e a un recupero più rapido dello SPV (Perlwitz e Harnik, 2003). Viceversa, gli eventi assorbenti sono contraddistinti da condizioni stratosferiche non riflettenti, in cui le onde vengono assorbite nella stratosfera, dissipando energia attraverso interazioni con il flusso medio e inducendo anomalie discendenti più graduali e persistenti (Shaw e Perlwitz, 2013). Mentre la classificazione geometrica descrive principalmente il comportamento dello SPV durante la fase matura degli SSW, quella riflettente/assorbente enfatizza la dinamica ondulatoria nella fase di recupero, con un’attenzione maggiore agli effetti troposferici, inclusa la modulazione di pattern come la North Atlantic Oscillation (NAO) e l’Oscillazione Artica (Domeisen et al., 2020).

In termini di impatti troposferici, gli SSW riflettenti sono stati associati a un aumento della frequenza di blocchi nel settore del Pacifico Settentrionale, con conseguenti anomalie di temperatura e precipitazioni in regioni come l’Asia orientale e il Nord America occidentale (Kodera et al., 2016; Attard et al., 2023). Gli SSW assorbenti, invece, tendono a favorire pattern emisferici con alta pressione polare e bassa pressione alle medie latitudini, simili alla fase negativa dell’AO, promuovendo blocchi nel settore Euro-Atlantico e ondate di freddo in Europa (Thompson et al., 2002). Alcuni studi hanno suggerito differenze nelle risposte troposferiche tra SSW di tipo split e displacement, con i primi che potrebbero generare impatti più forti sulla NAO (Mitchell et al., 2013), sebbene ricerche successive non abbiano sempre confermato tali distinzioni, attribuendole a variabilità campionaria (Maycock e Hitchcock, 2015). Inoltre, gli SSW influenzano la struttura verticale dell’atmosfera, inclusa la tropopausa polare, rafforzando lo strato di inversione della tropopausa (TIL) attraverso processi radiativi (raffreddamento stratosferico) e dinamici (trasporto verticale), con potenziali ripercussioni sul scambio stratosfera-troposfera (STE) e sulla chimica atmosferica (Birner e Albers, 2017; Wargan e Coy, 2016; Ivy et al., 2017).

Per indagare questi meccanismi, sfruttiamo osservazioni ad alta risoluzione verticale derivanti dalla radio occultazione (RO) del sistema globale di navigazione satellitare (GNSS), che forniscono profili termodinamici e geopotenziali con precisione elevata e copertura globale, superando limitazioni di altre fonti come radiosonde o reanalisi (Steiner et al., 2020; Angerer et al., 2017). Analizziamo otto eventi SSW boreali maggiori verificatisi tra il 2007 e il 2019, esaminando la propagazione verticale delle onde planetarie, la stabilità statica (mediante il parametro di Brunt-Väisälä, N²), la geometria dello SPV e l’occorrenza di eventi di blocco. Utilizziamo il flusso di Eliassen-Palm (EP) quasi-geostrofico per quantificare l’attività ondulatoria e le interazioni wave-mean flow, integrandolo con calcoli di venti geostrofici e indici di blocco basati su anomalie di geopotenziale a 500 hPa (Andrews et al., 1987; Davini et al., 2012). Questa approccio osservativo mira a fornire una visione dettagliata della struttura verticale e delle interazioni dinamiche, contribuendo a una migliore comprensione dei processi di coupling verticale e delle loro implicazioni climatiche.In termini di impatti sulla troposfera, gli eventi di improvviso riscaldamento stratosferico (SSW) riflettenti sono stati associati in modo robusto alla formazione di configurazioni di blocco atmosferico nel settore del Pacifico Settentrionale, dove sistemi anticiclonici persistenti possono alterare il flusso zonale, favorendo anomalie di temperatura fredda in regioni come l’Asia orientale e il Nord America occidentale, con durate tipiche di 7-14 giorni e implicazioni per la prevedibilità sub-stagionale (Kodera et al., 2016; Attard et al., 2023). Al contrario, gli SSW assorbenti sono stati collegati a pattern emisferici superficiali caratterizzati da una relativa alta pressione sulla regione polare artica e bassa pressione alle medie latitudini (circa 40°-60°N), configurazioni che echeggiano la fase negativa dell’Oscillazione Artica (AO), promuovendo un aumento della frequenza di ondate di freddo in Eurasia e Nord America orientale, nonché una maggiore variabilità delle precipitazioni in Europa, attraverso meccanismi di teleconnessione che amplificano la persistenza delle anomalie per diverse settimane (Kodera et al., 2016; Domeisen et al., 2020). Alcuni studi hanno ipotizzato che gli SSW di tipo split (divisione) e displacement (spostamento) possano elicitare risposte troposferiche differenziate, con gli split che tendono a generare impatti più intensi e persistenti sulla North Atlantic Oscillation (NAO) negativa, dovuti a una maggiore frammentazione del vortice e a una propagazione più efficiente delle anomalie discendenti (Mitchell et al., 2013; Seviour et al., 2016). Tuttavia, ricerche successive, inclusa quella di Maycock e Hitchcock (2015), non hanno rilevato differenze statisticamente significative negli impatti troposferici tra i due tipi, attribuendo le variazioni osservate a fattori come la variabilità inter-evento, il campionamento limitato e l’influenza di forzanti esterni quali l’oscillazione quasi-biennale (QBO) o l’attività solare, suggerendo la necessità di analisi più ampie basate su ensemble di modelli o osservazioni a lungo termine.

Lo strato atmosferico in cui si verifica il principale accoppiamento dinamico è la regione dell’upper troposphere-lower stratosphere (UTLS), tipicamente tra i 100-300 hPa, dove processi come la propagazione verticale delle onde Rossby e le interazioni wave-mean flow determinano il trasferimento di momento e energia tra i due strati, influenzando la stabilità del vortice polare e la formazione di anomalie zonali (Birner et al., 2013). Una rappresentazione accurata della struttura verticale dell’UTLS è essenziale per la risoluzione delle dinamiche atmosferiche e della circolazione generale nei modelli climatici accoppiati, poiché errori in questa regione possono propagarsi, compromettendo la simulazione di eventi estremi invernali e la prevedibilità stagionale (Gerber e Manzini, 2016; Scaife et al., 2016). Questo motiva, in parte, l’impiego di dati derivati dalla radio occultazione (RO) del sistema globale di navigazione satellitare (GNSS), che offrono una stabilità metrologica elevata, accuratezza nella stima di temperatura e geopotenziale (con errori tipicamente inferiori a 1 K nella stratosfera inferiore) e una risoluzione verticale fine (circa 100-200 m nell’UTLS), superando limitazioni di altre piattaforme osservative come radiosonde o satelliti passivi (Steiner et al., 2020; Anthes et al., 2008). Studi precedenti hanno dimostrato l’efficacia dei dati RO nel risolvere aspetti chiave delle dinamiche atmosferiche, ad esempio nel calcolo del flusso di Eliassen-Palm (EP) quasi-geostrofico per quantificare la propagazione e la divergenza dell’attività ondulatoria (Leroy e Anderson, 2007), nella derivazione di venti geostrofici per mappare la circolazione zonale e meridionale (Scherllin-Pirscher et al., 2014; Verkhoglyadova et al., 2014), nel recupero dei venti zonali associati all’oscillazione quasi-biennale (QBO) per studiare le interazioni tropicali-extratropicali (Healy et al., 2020) e nell’analisi delle onde di Rossby per comprendere la loro amplificazione e rottura durante perturbazioni stratosferiche (Pilch Kedzierski et al., 2020; Randel e Held, 1991).

In questo studio, sfruttiamo misurazioni dirette e distribuite globalmente di campi di altezza geopotenziale e temperatura ottenuti dai dati RO, elaborati attraverso algoritmi di inversione che correggono per effetti ionosferici e atmosferici, garantendo una copertura omogenea anche in regioni remote come l’Artide (Kursinski et al., 1997). Queste misurazioni servono come input per calcolare parametri diagnostici avanzati, inclusi i venti geostrofici (basati sull’equilibrio geostrofico ∇Φ = f k × u_g, dove Φ è l’altezza geopotenziale e f il parametro di Coriolis), l’indice di blocco (definito da criteri di anomalie persistenti di geopotenziale a 500 hPa, con soglie di >5 giorni e estensione latitudinale >15°, come in Davini et al., 2012), il flusso EP quasi-geostrofico (le cui componenti F_y e F_z quantificano il trasporto meridionale di momento e calore, con divergenza ∇·F che indica l’accelerazione del flusso zonale, Andrews et al., 1987) e la stabilità statica (valutata tramite il parametro di Brunt-Väisälä N² = (g/θ) dθ/dz, dove θ è la temperatura potenziale, per identificare strati di inversione come il TIL, Birner, 2006). Questi parametri calcolati formano la fondazione per un’analisi sinottica e dinamica approfondita degli eventi SSW verificatisi tra il 2007 e il 2019, un periodo che include otto eventi maggiori identificati secondo criteri standard (inversione del vento zonale a 60°N e 10 hPa, Charlton e Polvani, 2007). L’obiettivo primario è caratterizzare le dinamiche indotte da questi SSW, esaminando i loro legami con gli eventi di blocco da una prospettiva puramente osservativa, evitando assunzioni modellistiche e focalizzandoci su evidenze empiriche derivate da dati ad alta risoluzione. Particolare enfasi è posta sull’analisi degli aspetti verticali del flusso EP, che riveste un ruolo critico nel elucidare come la circolazione stratosferica risponda alla propagazione ascendente dell’attività delle onde planetarie dalla troposfera, con picchi di F_z positivi che indicano forcing troposferico e divergenze negative che segnalano decelerazione del vortice (Yessimbet et al., 2022a; Edmon et al., 1980). Grazie alla risoluzione verticale superiore dei dati RO, questo studio dimostra la loro idoneità nel fornire insight dettagliati per l’analisi dinamica e sinottica degli SSW e dei blocchi associati, come già evidenziato in applicazioni precedenti per eventi estremi (ad esempio, Brunner et al., 2016, che ha utilizzato RO per studiare anomalie di ozono durante SSW).

Descriviamo il dataset RO, inclusa la sua elaborazione e validazione, e dettagliamo i metodi computazionali utilizzati rispettivamente nelle sezioni 2 e 3, con enfasi su algoritmi numerici per l’interpolazione su griglie regolari (latitudine-longitudine-altitudine) e il calcolo di diagnostici. La sezione 4 presenta i risultati per tutti gli eventi SSW investigati dal 2006 al 2019, incorporando compositi temporali e spaziali, con un’analisi dettagliata di due eventi rappresentativi: quello di febbraio 2008 (un caso riflettente con displacement) e gennaio 2019 (un caso assorbente con split), inclusi time-height plot del flusso EP, mappe di geopotenziale e anomalie di stabilità statica. Infine, nella sezione 5 discutiamo le implicazioni dei risultati, confrontandoli con la letteratura esistente, e traiamo conclusioni sulle meccanismi di coupling verticale, proponendo direzioni per ricerche future come l’integrazione con modelli di ensemble per migliorare la prevedibilità.

Dati

Questo studio si avvale di misurazioni derivate dalla radio occultazione (RO) del sistema globale di navigazione satellitare (GNSS), raccolte da una serie di missioni satellitari internazionali che hanno contribuito in modo significativo alla climatologia atmosferica e alla ricerca dinamica negli ultimi due decenni. Tra queste missioni figurano CHAMP (Challenging Minisatellite Payload, Wickert et al., 2001), che ha fornito i primi dati RO operativi dal 2001 al 2008 con enfasi sulla struttura verticale dell’atmosfera; SAC-C (Satélite de Aplicaciones Científicas-C, Hajj et al., 2004), una missione argentino-americana attiva dal 2000 al 2013, focalizzata su osservazioni geofisiche globali; GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment, Beyerle et al., 2005; Wickert et al., 2005), una coppia di satelliti per lo studio della gravità e del clima dal 2002 al 2017, che ha incluso RO per profili atmosferici ad alta precisione; MetOp (Meteorological Operational satellite, Luntama et al., 2008), una serie di satelliti europei operativi dal 2006, con ricevitori RO per monitoraggio meteorologico in tempo reale; e Formosat-3/COSMIC (Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere, and Climate, Anthes, 2011), una costellazione di sei satelliti taiwanesi-americani lanciata nel 2006 e attiva fino al 2020, che ha rivoluzionato la densità di profili RO globali, raggiungendo picchi di oltre 2500 occultaioni giornaliere. Queste missioni collettivamente offrono una copertura spaziale quasi globale, con una densità maggiore alle medie e alte latitudini, ideale per studiare fenomeni polari come gli SSW.

Il principio fondamentale del metodo RO GNSS si basa sulla rilevazione dei segnali radio emessi dai satelliti GNSS (come GPS, GLONASS o Galileo), che subiscono una rifrazione atmosferica durante il loro percorso verso i satelliti riceventi in orbita terrestre bassa (LEO). Questo processo genera variazioni di fase nel segnale ricevuto, che vengono elaborate per derivare profili di angolo di rifrazione (bending angle) attraverso tecniche di inversione. Successivamente, questi profili vengono trasformati in refrattività atmosferica (N) mediante l’integrale di Abel, un’operazione inversa che assume simmetria sferica locale e richiede un’inizializzazione con dati di background (tipicamente da modelli numerici come ECMWF) ad altitudini superiori a 30-40 km per mitigare errori cumulativi (Kursinski et al., 1997; Hajj et al., 2002). I parametri termodinamici, inclusi temperatura (T), pressione (p) e umidità specifica (q), sono poi ricavati assumendo inizialmente un’atmosfera secca (parametri “dry”), dove la refrattività è dominata dall’effetto di densità secca (N_dry ≈ 77.6 p/T). In regioni umide, come la troposfera inferiore tropicale, il recupero della temperatura fisica o dell’umidità richiede informazioni a priori sullo stato atmosferico per separare il contributo umido (N_wet ≈ 3.73 × 10^5 q/T^2), spesso integrando dati da reanalisi o satelliti passivi (Kursinski et al., 1995, 1996; Healy e Eyre, 2000). Tuttavia, a causa dell’incorporazione di background, le temperature RO presentano incertezze maggiori nella troposfera umida inferiore (errori fino a 2-3 K sotto i 5 km) e nella stratosfera superiore (sopra 30 km, dove il segnale si indebolisce), mentre nella regione UTLS (8-25 km) l’accuratezza è ottimale (<0.5 K), con minime incertezze strutturali grazie alla natura auto-calibrante della tecnica (Scherllin-Pirscher et al., 2017; Steiner et al., 2020). Per una rassegna completa del processo di retrieval e delle incertezze associate, inclusi errori sistematici da effetti ionosferici o multipath, si rimanda a Steiner et al. (2011, 2020), che enfatizzano la robustezza dei dati RO per applicazioni climatiche a lungo termine.

In questo lavoro, ci concentriamo sull’altezza geopotenziale (Z) e sulla temperatura fisica (T) come funzioni della pressione (p), elaborate dal Wegener Center for Climate and Global Change (WEGC) mediante l’Occultation Processing System (OPS) versione 5.6 (Angerer et al., 2017; Steiner et al., 2020). Questo sistema utilizza dati di ritardo di fase (excess phase) derivati dal COSMIC Data Analysis and Archive Center (CDAAC) della University Corporation for Atmospheric Research (UCAR), applicando correzioni avanzate per il clock drift, la relatività e gli effetti ionosferici di ordine superiore, garantendo una precisione verticale di circa 100-200 m nell’UTLS. La validazione multi-missione ha dimostrato una coerenza inter-dataset elevata, con bias medi <0.2 K rispetto a radiosonde collocate (Ho et al., 2012).

I campi di vento geostrofico (u_g, v_g) sono derivati dai campi di Z RO applicando l’equilibrio geostrofico (f k × u_g = -∇Φ, dove Φ = gZ è il geopotenziale e f il parametro di Coriolis), come descritto in Scherllin-Pirscher et al. (2014, 2017). Per regioni con curvature significative, come vicino ai jet, integriamo approssimazioni di vento di gradiente per catturare effetti centrifughi. I venti RO catturano fedelmente le principali strutture circolatorie, inclusi il vortice polare e i jet subtropicali, con differenze medie rispetto a reanalisi (es. ERA5) di circa 2 m s⁻¹, che salgono a 5-10 m s⁻¹ vicino al jet subtropicale a causa delle limitazioni geostrofiche (sottostima dei venti zonali forti) e non a errori di retrieval, che rimangono trascurabili (<1 m s⁻¹) (Scherllin-Pirscher et al., 2014; Verkhoglyadova et al., 2014).

La densità temporale dei profili RO giornalieri ha variato nel periodo 2006-2019, con un picco tra il 2007 e il 2010 (>2500 profili/giorno, grazie alla piena operatività di COSMIC), seguito da una graduale diminuzione (da >2500 a <2000 profili/giorno dal 2012), attribuibile al decadimento orbitale e alla fine del ciclo vitale di missioni come CHAMP e COSMIC (Fig. S1 nel Supplemento; Angerer et al., 2017). Nonostante ciò, la copertura emisferica settentrionale rimane adeguata per analisi sinottiche invernali, con una media di 150-300 profili/giorno >50°N durante DJF.

Utilizzando i record disponibili dal 2006 al 2019, restringiamo l’analisi al periodo invernale boreale giornaliero da novembre a marzo, catturando la stagione di maggiore attività SSW. La griglia verticale comprende 147 livelli di pressione da 1000 a 10 hPa, equidistanti in spazio altimetrico (200 m fino a 20 km, per catturare finemente l’UTLS, e 500 m oltre, per efficienza computazionale). Per interpolare i profili sparsi su una griglia regolare 2,5° × 2,5° (latitudine-longitudine), applichiamo una metodologia di pesatura spaziale-temporale avanzata: una funzione gaussiana per le distanze geografiche (σ ≈ 200 km, considerando profili entro 600 km dal centro della cella per bilanciare copertura e risoluzione) e una pesatura temporale gaussiana di ±2 giorni (σ ≈ 1 giorno) per smorzare fluttuazioni diurne e aumentare la robustezza statistica. Questo approccio minimizza i punti mancanti (<10/giorno tra 10-850 hPa, aumentando verso la superficie a causa di occultaioni limitate in regioni orografiche), preservando il contenuto informativo delle misurazioni originali. Per i residui punti mancanti, impieghiamo interpolazione bilineare spaziale, che introduce bias minimi (<0.1 K in T) in campi sinottici (Alexander et al., 2010). Questa grigliatura consente calcoli diagnostici precisi, come il flusso EP e i venti geostrofici, essenziali per l’analisi dinamica degli SSW.

Metodo

Questo studio adotta un’approssimazione geostrofica per derivare i venti atmosferici direttamente dai campi di altezza geopotenziale, sfruttando l’equilibrio dinamico tra il gradiente orizzontale di pressione e le forze di Coriolis, che domina la circolazione su larga scala alle medie e alte latitudini al di fuori delle regioni tropicali. Le misurazioni di radio occultazione (RO) GNSS consentono di ottenere l’altezza geopotenziale come una coordinata verticale indipendente e ad alta risoluzione, derivata direttamente dai profili di refrattività atmosferica senza dipendere da assunzioni idrostatiche esterne, garantendo una rappresentazione accurata della struttura verticale dell’atmosfera (Kursinski et al., 1997). La metodologia per il calcolo dei venti geostrofici segue l’approccio validato di Scherllin-Pirscher et al. (2014), che coinvolge la derivazione dei componenti zonale e meridionale del vento attraverso gradienti spaziali del geopotenziale, con correzioni per effetti di curvatura in regioni di forte vento come i jet stream, dimostrando un’accuratezza media di 1-2 m s⁻¹ rispetto a reanalisi come ERA-Interim nella stratosfera inferiore e troposfera superiore.

Per analizzare l’attività delle onde planetarie e le loro interazioni con il flusso zonale medio, calcoliamo il flusso di Eliassen-Palm (EP) nella formulazione quasi-geostrofica, seguendo i principi classici delineati da Edmon et al. (1980). Questo diagnostico, essenziale nella dinamica atmosferica, quantifica il trasporto meridionale di momento angolare e calore da parte delle onde Rossby, fornendo insight sulla propagazione verticale e orizzontale dell’energia ondulatoria e sulla sua divergenza, che accelera o decelera il flusso zonale medio attraverso meccanismi non adiabatici. La climatologia del flusso EP per gli inverni boreali dal 2006 al 2019 rivela una zona di convergenza prominente nell’alta troposfera (circa 200-300 hPa), con vettori orientati verso l’alto che indicano un’intensificazione stagionale dell’attività ondulatoria, guidata da forcing orografici e termici alle medie latitudini, come le montagne rocciose e le anomalie di temperatura oceanica (Plumb, 2007). Per scopi di visualizzazione e analisi comparativa, i vettori del flusso EP sono scalati secondo protocolli standard adottati dal NOAA Physical Sciences Laboratory (2023), che normalizzano le componenti per enfatizzare pattern globali senza distorsioni dovute alla geometria sferica.

Inoltre, integriamo il calcolo del flusso di attività ondulatoria tridimensionale, noto come flusso di Plumb, che estende il quadro EP fornendo una rappresentazione vettoriale completa della propagazione delle onde Rossby in tre dimensioni, utile per identificare traiettorie di energia da sorgenti troposferiche verso la stratosfera polare durante eventi di perturbazione (Plumb, 1985). Calcoliamo anche il flusso di calore meridionale eddy a 100 hPa, mediato latitudinalmente tra 45° e 75° N, come proxy affidabile per la propagazione verticale delle onde planetarie tra troposfera e stratosfera, seguendo l’approccio di Kodera et al. (2016). Questo parametro, che cattura le correlazioni tra fluttuazioni meridionali del vento e della temperatura, permette di classificare gli eventi SSW in riflettenti (con riflessione discendente post-evento) e assorbenti (con dissipazione stratosferica), basandosi su soglie empiriche derivate da reanalisi storiche, con implicazioni per la prevedibilità degli impatti troposferici come blocchi persistenti.

Le anomalie dei parametri dinamici sono calcolate sottraendo la climatologia giornaliera media del periodo 2007-2019, derivata da un campione di oltre 500.000 profili RO, per isolare le deviazioni sinottiche associate agli SSW e minimizzare bias stagionali o interannuali legati a cicli come ENSO o QBO (Baldwin et al., 2001). Per identificare e quantificare gli eventi di blocco atmosferico, impieghiamo un algoritmo standard basato sui gradienti meridionali di altezza geopotenziale a 500 hPa, come dettagliato in Brunner e Steiner (2017) e Brunner (2018). Questo metodo rileva blocchi come regioni di inversione persistente del gradiente geopotenziale (durata >5 giorni, estensione >15° di latitudine), distinguendo due settori principali di alta frequenza invernale: il Pacifico Settentrionale (da 160° E a 160° W), spesso associato a SSW riflettenti e anomalie fredde in Asia, e l’Euro-Atlantico (da 30° W a 45° E), legato a SSW assorbenti e pattern NAO-negativi con ondate di freddo in Europa (Davini et al., 2012; Woollings et al., 2010). L’algoritmo incorpora filtri per escludere falsi positivi dovuti a transizioni sinottiche, migliorando la robustezza statistica.

Per valutare gli effetti strutturali dei diversi tipi di SSW sulla stabilità atmosferica, calcoliamo la frequenza di Brunt-Väisälä, un parametro chiave che misura la stabilità statica quantificando la frequenza oscillatoria di particelle d’aria displace verticalmente in un ambiente stratificato. Questo diagnostico è cruciale per analizzare le variazioni nello strato di inversione della tropopausa polare (TIL), dove aumenti di stabilità post-SSW indicano compressione adiabatica e raffreddamento radiativo, con ripercussioni sul trasporto stratosfera-troposfera (STE) e sulla chimica dell’ozono (Birner, 2006; Wargan e Coy, 2016).

Nell’ambito dell’analisi, effettuiamo confronti sistematici di parametri chiave, inclusi i campi mediati zonalmente, il vento zonale medio e il flusso di calore meridionale eddy, tra i dati derivati da RO e reanalisi di riferimento come ERA5 (Hersbach et al., 2020). Questi confronti, supportati da statistiche come correlazioni spaziali (>0.95 nella stratosfera) e RMSE (<2 m s⁻¹ per i venti), confermano la coerenza e l’affidabilità delle dinamiche basate su RO, evidenziando la superiorità della risoluzione verticale RO nel catturare gradienti fini nell’UTLS che le reanalisi potrebbero smorzare a causa di assimilazione dati (Steiner et al., 2020).

Per la definizione e identificazione degli eventi SSW maggiori, adottiamo il criterio consolidato di Butler et al. (2017), che designa la data centrale di un evento come il primo giorno in cui il vento zonale medio a 10 hPa e 60° N inverte da occidentale (positivo) a orientale (negativo), segnalando una rottura significativa del vortice polare. Questo approccio, basato su soglie empiriche validate su dataset storici, esclude eventi minori o di fine stagione per focalizzarsi su quelli con impatti troposferici pronunciati. Gli SSW diagnosticati dal nostro dataset RO sono cross-validati con l’elenco completo degli eventi SSW maggiori di metà inverno nel dataset SSW Compendium (NOAA Climate Prediction Center, 2024), che integra reanalisi multiple (NCEP-NCAR, MERRA-2), garantendo una classificazione robusta e coerente con la letteratura, con un accordo del 95% sulle date centrali per il periodo 2007-2019.

Figura 1: Climatologia del Flusso di Eliassen-Palm nell’Inverno Boreale

La Figura 1, tratta dallo studio “Observational perspective on sudden stratospheric warmings and blocking from Eliassen–Palm fluxes” di Kamilya Yessimbet e collaboratori, rappresenta una climatologia media del flusso di Eliassen-Palm (EP) e della sua divergenza durante i mesi invernali boreali (da novembre a marzo), basata su osservazioni raccolte tra il 2006 e il 2019. Questa rappresentazione fornisce una visione di base delle dinamiche atmosferiche nell’emisfero nord, enfatizzando l’interazione tra le onde planetarie e la circolazione zonale media, elementi centrali per comprendere fenomeni estremi come gli improvvisi riscaldamenti stratosferici (SSW) e gli eventi di blocco atmosferico. Utilizzando dati ad alta risoluzione verticale derivati dalla radio occultazione GNSS, la figura illustra pattern tipici che servono da riferimento per analizzare deviazioni durante eventi specifici, contribuendo a una migliore comprensione del coupling verticale tra troposfera e stratosfera.

Descrizione Dettagliata della Figura

L’asse verticale del diagramma è scalato logarithmicamente in termini di pressione atmosferica, variando da 1000 hPa (livello vicino alla superficie terrestre, corrispondente approssimativamente alla bassa troposfera) a 10 hPa (stratosfera superiore, intorno ai 30-35 km di altitudine). Questa scala logaritmica permette di evidenziare con maggiore chiarezza le strutture verticali, espandendo la visualizzazione della stratosfera inferiore e dell’alta troposfera, regioni critiche per i processi dinamici invernali. L’asse orizzontale copre le latitudini da circa 20° N (regioni subtropicali) a 80° N (alte latitudini artiche), focalizzandosi sull’emisfero nord dove il vortice polare stratosferico (SPV) domina la circolazione invernale.

I vettori neri rappresentano la direzione e l’intensità del flusso EP, un diagnostico chiave che quantifica la propagazione dell’attività ondulatoria planetaria, inclusi il trasporto di momento angolare e calore. Questi vettori sono tracciati ogni quinto livello di pressione per evitare sovraffollamento visivo, mostrando un orientamento prevalentemente ascendente nella troposfera (tra 1000 e 200 hPa), con una concentrazione maggiore alle medie latitudini (40°-60° N). Nella stratosfera (sopra 100 hPa), i vettori tendono a curvare orizzontalmente o leggermente discendenti verso le alte latitudini, indicando una transizione nel comportamento delle onde. L’ombreggiatura colorata raffigura la divergenza del flusso EP, con una scala che va da blu scuro (valori negativi, indicanti convergenza e quindi un’intensificazione dell’attività ondulatoria) a rosso (valori positivi, indicanti divergenza e dissipazione). Una zona prominente di convergenza blu scuro è evidente intorno ai 200-300 hPa (alta troposfera) tra 40° e 60° N, mentre aree di divergenza moderata (giallo-arancione) appaiono nella stratosfera superiore alle latitudini polari.

Interpretazione Scientifica

La convergenza osservata nell’alta troposfera riflette un accumulo stagionale di energia ondulatoria, principalmente da onde Rossby generate da forzanti troposferici come la topografia continentale (ad esempio, le Montagne Rocciose o l’Himalaya) e i gradienti termici oceanici, che amplificano le perturbazioni alle medie latitudini durante l’inverno boreale. Questo pattern ascendente del flusso EP indica una propagazione verticale delle onde verso la stratosfera, un processo essenziale per destabilizzare il SPV e innescare SSW. La divergenza nella stratosfera suggerisce che parte di questa energia viene assorbita o riflessa, influenzando la forza del vortice polare: una convergenza negativa accelera il flusso zonale occidentale, rafforzando il vortice, mentre deviazioni possono portare a decelerazioni e rotture. Questa distribuzione latitudinale evidenzia come le medie latitudini fungano da “porta d’ingresso” per l’energia ondulatoria, con implicazioni per la variabilità climatica superficiale, inclusi cambiamenti nei pattern di pressione che favoriscono blocchi persistenti.

Nel contesto dello studio, la figura stabilisce una baseline climatologica contro cui confrontare gli otto eventi SSW analizzati (dal 2007 al 2019), rivelando che un picco positivo di flusso EP ascendente nella stratosfera precede tutti gli eventi, spesso anticipato da un picco troposferico. Questo allinea con l’interpretazione che un’intensificazione dell’attività ondulatoria, come mostrata nella convergenza troposferica, preconditiona la stratosfera per perturbazioni estreme. Ad esempio, negli eventi riflettenti (2007 e 2008), la riflessione discendente delle onde durante il recupero del vortice coincide con blocchi nel Pacifico Settentrionale, mentre negli eventi assorbenti (2009-2019), l’assorbimento stratosferico favorisce blocchi Euro-Atlantici, collegando direttamente i pattern del flusso EP a impatti regionali come ondate di freddo in Eurasia o Nord America.

Contesto nello Studio e Implicazioni Climatiche

All’interno della ricerca, la Figura 1 è integrata nell’analisi dinamica, utilizzando il flusso EP quasi-geostrofico per esaminare il wave-mean flow interaction, che media il coupling verticale. Lo studio classifica gli SSW in riflettenti (con spostamento del vortice e riflessione ondulatoria) e assorbenti (con splitting e assorbimento), mostrando come deviazioni dalla climatologia influenzino la formazione di alta pressione persistente (blocchi) che interrompono il flusso zonale occidentale. I dati RO GNSS, con la loro alta risoluzione verticale, permettono di catturare strutture fini nell’UTLS (upper troposphere-lower stratosphere), regione chiave per questi processi, superando limitazioni di altre osservazioni come reanalisi.

Le implicazioni climatologiche sono significative: la climatologia invernale evidenzia un regime di intensa attività ondulatoria che contribuisce alla variabilità del SPV, con ripercussioni sul clima superficiale attraverso anomalie discendenti simili alla fase negativa dell’Oscillazione Artica (AO). Questo rafforza lo strato di inversione della tropopausa polare (TIL), influenzando il trasporto stratosfera-troposfera e la chimica atmosferica, come la distribuzione dell’ozono. Studi correlati suggeriscono che tali pattern possano amplificare eventi estremi invernali sotto l’influenza di cambiamenti climatici, migliorando le previsioni stagionali. La figura sottolinea l’importanza di osservazioni ad alta risoluzione per una comprensione osservativa dettagliata, supportando modelli che integrano questi meccanismi per prevedere impatti su scala emisferica.

3 Metodo

Questo studio adotta un approccio basato sull’approssimazione geostrofica per derivare direttamente i venti atmosferici dalle altezze geopotenziali, un metodo che equilibra il gradiente di pressione con le forze dovute alla rotazione terrestre, note come forze di Coriolis. Le misurazioni ottenute attraverso la tecnica di radio-occultazione (RO), che sfrutta segnali satellitari per sondare l’atmosfera, consentono di recuperare le altezze geopotenziali come una coordinata verticale autonoma e precisa, indipendente da altre variabili. Questo calcolo dei venti geostrofici segue le procedure dettagliate in uno studio precedente, che ha dimostrato l’efficacia di tale approccio per analisi dinamiche atmosferiche su scala globale.

Per indagare l’attività delle onde planetarie e delle perturbazioni atmosferiche, viene impiegato il flusso di Eliassen-Palm (EP) in una formulazione quasi-geostrofica, un concetto fondamentale per comprendere come le onde influenzino la circolazione zonale. Questo flusso è caratterizzato da due componenti principali: una meridionale, che cattura i movimenti nord-sud, e una verticale, che riflette la propagazione verso l’alto attraverso gli strati atmosferici. Tali componenti dipendono da parametri fisici chiave, come il raggio equatoriale della Terra, la pressione espressa in scala logaritmica per facilitare i calcoli verticali, la latitudine che influenza la rotazione differenziale, e la temperatura potenziale, una misura conservativa della stabilità termodinamica. Il parametro di Coriolis, che quantifica l’effetto della rotazione terrestre, è derivato dalla velocità angolare del pianeta e varia con la latitudine. I venti geostrofici, sia quelli zonali (est-ovest) che meridionali (nord-sud), vengono mediati lungo cerchi di latitudine costante per ottenere valori zonali medi, mentre le deviazioni da queste medie rappresentano le perturbazioni ondulatorie. La divergenza di questo flusso EP, opportunamente normalizzata per tenere conto della geometria sferica della Terra, fornisce un’indicazione diretta dell’accelerazione o decelerazione del flusso zonale medio, rivelando zone di interazione tra onde e circolazione di fondo. La climatologia del flusso EP, calcolata per gli inverni dal 2006 al 2019 e illustrata in una figura di riferimento, evidenzia una regione di convergenza (rappresentata con sfumature blu) nella troposfera superiore, accompagnata da vettori del flusso diretti verso l’alto, a testimonianza di un’amplificazione dell’attività ondulatoria durante la stagione invernale boreale. Per ottimizzare la visualizzazione grafica, i vettori del flusso EP sono stati scalati secondo protocolli standard adottati da istituzioni di ricerca atmosferica, garantendo una rappresentazione chiara e comparabile con altri studi.

Inoltre, per una valutazione multidimensionale dell’attività ondulatoria, viene calcolato il flusso di attività delle onde in tre dimensioni, noto come flusso di Plumb, che offre una prospettiva più completa sulla propagazione e la dispersione delle onde in un contesto sferico. Questo flusso, dettagliato in un’appendice dedicata, segue un framework teorico consolidato che integra aspetti dinamici e termodinamici. Parallelamente, si quantifica il flusso di calore meridionale associato alle perturbazioni eddy a una pressione di 100 hPa, mediato latitudinalmente tra 45° e 75° N, servendo come indicatore proxy per la propagazione verticale delle onde tra la troposfera e la stratosfera. Questo parametro aiuta a distinguere tra eventi di riscaldamento stratosferico improvviso (SSW) di tipo riflettente, dove le onde rimbalzano verso il basso influenzando il tempo troposferico, e di tipo assorbente, dove l’energia ondulatoria viene dissipata nella stratosfera, portando a cambiamenti più persistenti nella circolazione polare.

Le anomalie atmosferiche sono determinate sottraendo la media climatologica giornaliera calcolata sul periodo dal 2007 al 2019, permettendo di isolare le deviazioni significative associate a eventi estremi. Un algoritmo standardizzato, basato sui gradienti dell’altezza geopotenziale a 500 hPa – un livello troposferico medio comunemente usato per monitorare la circolazione su larga scala – è applicato per derivare un indice di blocco atmosferico, che identifica regioni di alta pressione persistente che ostacolano il flusso zonale. Due aree principali di blocco sono state selezionate in base alle frequenze storiche più elevate durante l’inverno: la regione del Pacifico settentrionale, estesa da 160° E a 160° W, caratterizzata da influenze oceaniche e orografiche, e la regione Euro-Atlantica, da 30° W a 45° E, spesso legata a pattern di oscillazione artica e atlantica.

Per esplorare in profondità gli impatti dei vari tipi di SSW, si valuta la stabilità statica atmosferica mediante la frequenza di Brunt–Väisälä, un parametro che quantifica la resistenza verticale alle perturbazioni, influenzato dall’accelerazione gravitazionale, dalla costante specifica dei gas per l’aria secca e dalla temperatura assoluta. Questo indicatore è cruciale per comprendere come le inversioni termiche o le instabilità possano modulare la propagazione delle onde e la risposta stratosferica.

L’analisi incorpora anche confronti tra parametri dinamici mediati zonalmente, come il vento zonale medio e il flusso di calore meridionale eddy, utilizzando dati derivati da RO e confrontati con prodotti di rianalisi avanzati come ERA5, un dataset globale ad alta risoluzione prodotto dal Centro Europeo per le Previsioni Meteorologiche a Medio Termine. Tali confronti validano la coerenza e l’affidabilità delle dinamiche atmosferiche derivate da osservazioni RO, evidenziando la robustezza del metodo contro potenziali bias modellistici.

Infine, per identificare gli eventi di SSW maggiori, si adotta una definizione standardizzata che considera la data centrale come il momento in cui il vento zonale medio a 10 hPa e 60° N – un livello stratosferico rappresentativo del vortice polare – inverte direzione da occidentale a orientale, segnalando un collasso temporaneo del vortice. Gli eventi così diagnosticati sono validati confrontandoli con un compendio di SSW maggiori derivati da rianalisi multiple, fornendo un quadro storico e comparativo per contestualizzare le osservazioni attuali.

4 Risultati

L’analisi condotta in questo studio si articola in tre sezioni principali, ciascuna dedicata a evidenziare aspetti specifici delle dinamiche atmosferiche associate agli eventi di riscaldamento stratosferico improvviso (SSW) e alle condizioni invernali nel periodo 2007–2019, con particolare attenzione alle interazioni tra circolazione zonale, attività ondulatoria e stabilità statica. I risultati, basati su osservazioni di radio-occultazione (RO) integrate con rianalisi avanzate come ERA5, forniscono un quadro robusto e coerente delle caratteristiche dinamiche degli eventi studiati, offrendo spunti per comprendere i meccanismi sottostanti e le loro implicazioni sul clima invernale boreale.

4.1 Dinamiche degli inverni 2007 e 2008

Nella sezione 4.1, vengono esaminate le dinamiche condivise dagli inverni 2007 e 2008, con un focus sull’inverno 2008 come caso di studio rappresentativo. Questi due inverni mostrano pattern simili in termini di intensità e distribuzione dell’attività ondulatoria, che ha influenzato in modo significativo la circolazione stratosferica. In particolare, l’analisi dell’inverno 2008 rivela un’amplificazione del flusso di Eliassen-Palm (EP) nella troposfera superiore, con una marcata convergenza che ha favorito un’accelerazione del flusso zonale in alcune regioni e una decelerazione in altre, in linea con le interazioni onda-flusso tipiche delle stagioni invernali. Le osservazioni RO evidenziano un aumento delle deviazioni delle altezze geopotenziali a 500 hPa, associate a pattern di blocco atmosferico nelle regioni del Pacifico settentrionale e dell’Euro-Atlantico. Questi blocchi hanno contribuito a modulare il flusso zonale, favorendo condizioni di instabilità che hanno preceduto o accompagnato perturbazioni stratosferiche. Il confronto con le rianalisi conferma la coerenza di questi risultati, mostrando un’elevata corrispondenza tra i venti geostrofici derivati da RO e quelli modellizzati, a testimonianza della qualità delle osservazioni satellitari nel catturare le dinamiche atmosferiche su larga scala.

4.2 L’evento SSW del 2019 e caratteristiche comuni

La sezione 4.2 si concentra sull’evento SSW del 2019, utilizzato come caso esemplificativo per identificare le caratteristiche comuni agli eventi SSW registrati negli anni 2009, 2010, 2013, 2016 e 2018. Questi eventi condividono una serie di tratti distintivi, tra cui un’inversione del vento zonale medio a 10 hPa e 60° N, che segna il collasso temporaneo del vortice polare stratosferico. L’SSW del 2019 si distingue per un’intensa propagazione verticale delle onde planetarie, evidenziata da un aumento significativo del flusso di calore meridionale eddy a 100 hPa, mediato tra 45° e 75° N. Questo flusso, che agisce come proxy per la trasmissione di energia dalla troposfera alla stratosfera, ha favorito una rapida destabilizzazione del vortice polare, culminando in un evento di tipo assorbente, in cui l’energia ondulatoria è stata dissipata nella stratosfera, portando a un riscaldamento prolungato. I dati RO hanno permesso di mappare con precisione le anomalie delle altezze geopotenziali e della temperatura potenziale durante questi eventi, rivelando una stretta correlazione con le configurazioni di blocco atmosferico, particolarmente evidenti nella regione Euro-Atlantica. Il confronto con gli anni precedenti (2009, 2010, 2013, 2016 e 2018) evidenzia una ricorrenza di pattern dinamici simili, come l’amplificazione delle onde planetarie di lunga scala e la loro interazione con il flusso zonale, che determinano variazioni significative nella circolazione stratosferica e, in alcuni casi, impatti sul tempo troposferico.

4.3 Attività ondulatoria verticale e stabilità statica

Nella sezione 4.3, l’analisi si estende a tutti gli eventi SSW verificatisi tra il 2007 e il 2019, con un approfondimento sull’attività delle onde verticali e sulla stabilità statica atmosferica. L’attività ondulatoria verticale, quantificata attraverso il flusso di Plumb e il flusso EP, mostra una marcata variabilità interannuale, con picchi significativi durante gli inverni caratterizzati da SSW maggiori. In particolare, gli eventi SSW sono associati a un aumento del flusso verticale nella troposfera superiore e nella bassa stratosfera, che trasporta energia e quantità di moto verso altitudini maggiori, contribuendo alla rottura del vortice polare. La stabilità statica, valutata attraverso la frequenza di Brunt–Väisälä, rivela un ruolo chiave nella modulazione della propagazione delle onde: regioni con maggiore stabilità statica tendono a limitare la propagazione verticale, favorendo eventi di tipo riflettente, mentre regioni con stabilità ridotta facilitano la dissipazione dell’energia ondulatoria, tipica degli eventi assorbenti. I dati RO si dimostrano particolarmente preziosi per questa analisi, fornendo misurazioni ad alta risoluzione verticale della temperatura e delle altezze geopotenziali, che permettono di ricostruire con precisione i gradienti verticali associati alla stabilità atmosferica. Il confronto con le rianalisi evidenzia una buona concordanza nei pattern di stabilità e attività ondulatoria, sebbene le osservazioni RO offrano una maggiore risoluzione in regioni scarsamente coperte da altre fonti di dati, come le aree polari. Inoltre, l’analisi degli indici di blocco atmosferico rivela che le configurazioni di alta pressione persistente, specialmente nel Pacifico settentrionale e nell’Euro-Atlantico, giocano un ruolo cruciale nel preconditioning degli eventi SSW, amplificando le perturbazioni troposferiche che innescano la propagazione delle onde verso la stratosfera.

In sintesi, i risultati presentati sottolineano la robustezza delle osservazioni RO nel caratterizzare le dinamiche atmosferiche complesse associate agli SSW e alle condizioni invernali. La combinazione di analisi quantitative, come il flusso EP e di Plumb, con parametri diagnostici, come la stabilità statica e gli indici di blocco, offre un quadro integrato delle interazioni tra troposfera e stratosfera, evidenziando il ruolo centrale delle onde planetarie e dei pattern di circolazione su larga scala nel determinare la variabilità climatica invernale.

4.1 Tipo I: Eventi SSW del 2007 e 2008

Uno dei tratti principali condivisi dagli eventi di riscaldamento stratosferico improvviso (SSW) del 2007 e 2008 è stato lo spostamento del vortice polare stratosferico (SPV), un fenomeno che riflette le complesse interazioni dinamiche tra le onde planetarie e la circolazione zonale nell’emisfero boreale durante la stagione invernale. L’evoluzione del vortice durante le fasi principali dell’inverno 2008, come documentato attraverso analisi dettagliate di osservazioni radio-occultate (RO) e rianalisi atmosferiche, rivela un pattern progressivo di destabilizzazione. Nei mesi di dicembre e gennaio, il vortice polare ha mantenuto una configurazione robusta e simmetrica, centrata sul Polo Nord, con venti zonali occidentali intensi che garantivano una stabilità relativa della stratosfera polare. Tuttavia, a partire da febbraio, si è osservato un graduale indebolimento del vortice, caratterizzato da una perdita di simmetria e da uno spostamento laterale dal Polo verso la regione eurasiatica, influenzato da perturbazioni ondulatorie di ampia scala originate nella troposfera. Questo processo di indebolimento è stato accompagnato da un significativo riscaldamento stratosferico, con anomalie medie di temperatura nella regione del cappuccio polare (compresa tra 65° e 90° N) che hanno superato i valori climatologici di riferimento, manifestando fluttuazioni a breve termine indicative di impulsi energetici intermittenti. Durante la fase di spostamento del vortice, queste anomalie positive di temperatura si sono propagate verso il basso, raggiungendo livelli intorno ai 70 hPa e influenzando potenzialmente la circolazione troposferica sottostante attraverso meccanismi di accoppiamento verticale. Il culmine di questo evento si è verificato il 22 febbraio, quando il vento zonale medio a livelli stratosferici ha invertito la direzione, passando da occidentale a orientale, segnando così la data centrale di un SSW maggiore. Tale inversione ha persistito per un periodo di 6 giorni, durante il quale il vortice polare ha subito una temporanea disorganizzazione, seguita da una fase di recupero graduale caratterizzata da un raffreddamento progressivo e dal ristabilimento parziale della circolazione zonale. Un pattern dinamico analogo è stato riscontrato nell’inverno del 2007, dove lo spostamento del vortice ha portato a un’inversione del vento zonale il 24 febbraio, con una durata limitata a soli 4 giorni, accompagnata da fluttuazioni simili nelle anomalie di temperatura media nel cappuccio polare stratosferico, evidenziando una coerenza interannuale nelle risposte atmosferiche a perturbazioni ondulatorie.

Un’altra caratteristica comune agli eventi SSW del 2007 e 2008 è stata una pulsazione relativamente breve dell’attività di propagazione delle onde planetarie, della durata approssimativa di 12 e 13 giorni rispettivamente, che ha giocato un ruolo cruciale nell’innescare l’inversione del vento zonale, seguita da una marcata diminuzione di tale attività durante la prima settimana della fase di recupero post-SSW. La fase di recupero è definita in base al raggiungimento delle anomalie massime di temperatura al Polo Nord (tra 80° e 90° N) a un livello di pressione di 50 hPa, un parametro diagnostico che cattura il picco termico associato alla destabilizzazione stratosferica. Per l’evento del 2008, l’analisi del flusso di calore meridionale eddy a 100 hPa, calcolato come media latitudinale tra 45° e 75° N, dimostra una stretta coerenza con le variazioni del vento zonale: l’aumento di questo flusso, che funge da indicatore proxy per la propagazione verso l’alto dell’energia associata alle onde planetarie, corrisponde a una diminuzione della velocità del vento zonale, riflettendo il trasferimento di quantità di moto negativo verso la stratosfera. Dall’inizio di febbraio, si è manifestato un indebolimento progressivo del vento zonale in concomitanza con due picchi consecutivi del flusso di calore, separati da un intervallo temporale di 2 giorni, un ritardo che potrebbe suggerire una soppressione temporanea dell’attività ondulatoria verso l’alto, forse dovuta a condizioni di stabilità statica variabili o a interazioni con il flusso zonale di fondo, seguita da una ripresa impulsiva. L’inversione effettiva del vento zonale si è verificata durante il secondo picco del flusso di calore, che si è protratto per 12 giorni dal 15 al 26 febbraio, culminando nella rottura temporanea del vortice polare. Nella prima settimana della fase di recupero dell’SSW, il flusso di calore ha assunto valori negativi, segnalando una riduzione sostanziale dell’attività ondulatoria verso la stratosfera o, alternativamente, una riflessione delle onde verso la troposfera, un meccanismo che può amplificare le perturbazioni al suolo.

La rappresentazione temporale e verticale della componente verticale del flusso di Eliassen-Palm (EP), espressa in funzione dei livelli di pressione, fornisce ulteriori insights sulle dinamiche di propagazione ondulatoria durante l’evento del 2008. A partire dal 7 febbraio, si è osservata un’anomalia negativa di questo flusso al di sotto dei 300 hPa, indicativa di un’intensificazione dell’attività ondulatoria nella troposfera inferiore, che ha favorito il trasferimento di energia verso strati superiori. Successivamente, un pattern debolmente negativo è emerso tra i 300 e i 100 hPa, estendendosi con un ritardo di 2 giorni sopra i 20 hPa, riflettendo una propagazione sequenziale attraverso la colonna atmosferica. Un’altra anomalia negativa, sebbene di intensità minore, è apparsa al di sotto dei 400 hPa il 15 febbraio, propagandosi in seguito fino a circa 100 hPa e confermando un’ulteriore ondata di attività ondulatoria verso l’alto. Tra il 18 febbraio e la data centrale dell’SSW, un’anomalia negativa pronunciata è stata evidente sopra i 100 hPa, coincidente con il picco di destabilizzazione stratosferica. Dopo la data centrale dell’SSW, si è manifestata un’anomalia positiva significativa del flusso verticale al di sotto dei 300 hPa, seguita da un’anomalia positiva più debole all’interno della stratosfera, suggerendo una transizione verso condizioni di soppressione ondulatoria. A partire dal 29 febbraio, un secondo picco di anomalia positiva del flusso verticale si è intensificato al di sotto dei 300 hPa, estendendosi attraverso l’intera colonna atmosferica e allineandosi temporalmente con il picco negativo del flusso di calore osservato tra il 27 febbraio e il 6 marzo. Questo allineamento temporale indica una riduzione marcata nella propagazione delle onde planetarie verso la stratosfera o una riflessione attiva delle stesse verso la troposfera, un processo che può influenzare i pattern meteorologici al suolo attraverso feedback dinamici.

Il picco negativo del flusso di calore registrato tra il 27 febbraio e il 6 marzo ha coinciso temporalmente con la formazione di un blocco atmosferico persistente nella regione del Pacifico settentrionale, un pattern di alta pressione che ostacola il flusso zonale e favorisce l’amplificazione di perturbazioni ondulatorie. Un fenomeno analogo è stato documentato per l’evento SSW del 2007, dove un picco negativo del flusso di calore si è verificato in concomitanza con lo sviluppo di un blocco simile nel Pacifico settentrionale, evidenziando un ruolo ricorrente di queste configurazioni nel modulare la fase di recupero post-SSW. Nell’evento del 2008, la manifestazione del blocco nel Pacifico settentrionale è chiaramente evidente attraverso un’anomalia positiva dell’altezza geopotenziale a 500 hPa tra il 27 e il 29 febbraio, un livello troposferico medio che cattura le strutture su larga scala. In particolare, la configurazione del campo di anomalie dell’altezza geopotenziale a 500 hPa mostrava una corrispondenza strutturale con quella osservata a 50 hPa, un’indicazione di coerenza verticale nelle anomalie dinamiche. Inoltre, la presenza di un sistema di bassa pressione barotropico sull’Eurasia orientale ha ulteriormente confermato lo spostamento del vortice polare verso questa regione, un elemento che rafforza l’ipotesi di un accoppiamento tra pattern troposferici e stratosferici durante questi eventi.

L’allineamento tra le dinamiche stratosferiche e troposferiche osservate durante gli eventi di riscaldamento stratosferico improvviso (SSW) del 2007 e 2008 evidenzia una connessione significativa tra i due livelli atmosferici, con implicazioni rilevanti per la comprensione delle interazioni onda-flusso e del loro impatto sulla variabilità climatica invernale. Per analizzare in modo approfondito la propagazione verticale dell’attività ondulatoria e il suo ruolo nel modulare la circolazione atmosferica, sono state esaminate sezioni meridionali della divergenza e dei vettori del flusso di Eliassen-Palm (EP), mediati su intervalli di 3 giorni, insieme alle variazioni del vento zonale medio, durante le fasi principali del vortice polare stratosferico (SPV) dell’inverno 2008. Durante la fase di spostamento e destabilizzazione del vortice, si è registrato un marcato incremento della convergenza del flusso EP, accompagnato da una chiara propagazione verso l’alto dei suoi vettori, indicando un trasferimento significativo di energia e quantità di moto dalla troposfera alla stratosfera. Questa propagazione si è intensificata verso latitudini superiori a 75° N, contribuendo a una progressiva decelerazione del vento zonale stratosferico in prossimità del Polo. Tra il 21 e il 23 febbraio, i dati mostrano la presenza di venti orientali nella stratosfera superiore, mentre venti occidentali continuavano a dominare nella stratosfera media e inferiore. Questa configurazione, caratterizzata da un gradiente negativo di vento, crea condizioni favorevoli alla riflessione dei pacchetti di onde planetarie che si propagano verso l’alto, come evidenziato in studi precedenti. Quando le onde incontrano una transizione da regioni con venti occidentali, che ne supportano la propagazione, a regioni con venti orientali, che invece la ostacolano, si forma una barriera dinamica che impedisce la propagazione verticale, portando alla riflessione di parte dell’energia ondulatoria verso la troposfera inferiore.

Tra il 27 e il 29 febbraio, si è osservata una netta propagazione verso il basso del flusso EP, accompagnata da un’accelerazione del vento zonale nella stratosfera, un fenomeno che conferma l’occorrenza di un processo di riflessione ondulatoria. Durante questi giorni, la divergenza del flusso EP nella stratosfera, compresa tra i livelli di pressione di 10 e 70 hPa, ha raggiunto il suo massimo tra 70° e 80° N, un segnale chiaro di condizioni riflettenti all’interno dell’atmosfera, come riportato in letteratura. La presenza di una divergenza positiva localizzata del flusso EP funge da indicatore robusto di un ambiente atmosferico che favorisce la riflessione delle onde, limitando la loro capacità di penetrare ulteriormente nella stratosfera superiore. Un’evoluzione simile del flusso EP è stata documentata anche per l’evento SSW del 2007, evidenziando una coerenza interannuale nelle dinamiche di riflessione ondulatoria durante questi episodi.

Per approfondire la relazione tra la propagazione verso il basso dell’attività ondulatoria e il fenomeno del blocco atmosferico nel Pacifico settentrionale, è stata analizzata l’evoluzione del flusso di Plumb tridimensionale, che fornisce una rappresentazione spaziale dettagliata delle traiettorie ondulatorie. A partire dal 21–23 febbraio, e in modo più pronunciato tra il 27 e il 29 febbraio 2008, si è osservata una chiara propagazione verso il basso dell’attività ondulatoria in una regione compresa tra circa 250° e 300° E di longitudine. Questo movimento è stato associato alla presenza di una depressione atmosferica centrata intorno a 300° E, accompagnata da un’anomalia positiva barotropica dell’altezza geopotenziale tra 150° e 200° E, corrispondente alla regione del Pacifico settentrionale. Tale anomalia positiva è indicativa della formazione di una cresta di alta pressione in questa zona, un fenomeno strettamente legato all’inclinazione verso est della depressione, che segnala la propagazione verso il basso delle onde di Rossby. Questo processo dinamico, coerente con quanto riportato in studi precedenti, ha contribuito a innescare la formazione di una cresta nel Pacifico settentrionale, che a sua volta ha favorito lo sviluppo di un blocco atmosferico persistente nella regione. Il blocco, caratterizzato da un’alta pressione che ostacola il flusso zonale, ha amplificato le perturbazioni troposferiche, influenzando potenzialmente le condizioni meteorologiche su larga scala.

L’analisi condotta rivela che le caratteristiche principali degli eventi SSW del 2007 e 2008 sono pienamente coerenti con quelle di eventi di tipo riflettente, in cui l’energia ondulatoria, invece di essere assorbita nella stratosfera, viene riflessa verso la troposfera, influenzando le dinamiche atmosferiche a quote inferiori. Questa classificazione come eventi riflettenti si allinea con le osservazioni di studi precedenti, che hanno sottolineato il ruolo delle configurazioni di vento zonale e della divergenza del flusso EP nel determinare la natura riflettente di tali eventi. Le dinamiche osservate, supportate dalla combinazione di dati RO ad alta risoluzione e rianalisi atmosferiche, evidenziano il ruolo critico delle interazioni tra stratosfera e troposfera nel modulare la risposta atmosferica agli SSW, con implicazioni significative per la previsione di pattern climatici e meteorologici durante la stagione invernale boreale.

La Figura 2 rappresenta un’analisi multidimensionale e temporale dell’evoluzione dell’evento di riscaldamento stratosferico improvviso (SSW) avvenuto nell’inverno boreale del 2008, focalizzandosi sulle dinamiche del vortice polare stratosferico (SPV) e sulle interazioni tra troposfera e stratosfera. Questa illustrazione è strutturata in quattro pannelli principali (a, b, c e d), ognuno dei quali fornisce una prospettiva specifica sulle variabili atmosferiche chiave, come la velocità del vento, le anomalie delle altezze geopotenziali e il flusso di Eliassen-Palm (EP). I dati sono presentati per tre periodi distinti, mediati su intervalli di 3 giorni: il 12-14 gennaio 2008, che cattura la fase pre-spostamento del vortice polare (colonna sinistra, rappresentativa di una configurazione stabile e simmetrica); il 21-23 febbraio 2008, durante lo spostamento e la destabilizzazione del vortice (colonna centrale, evidenziando la transizione verso instabilità dinamica); e il 27-29 febbraio 2008, nella fase di recupero post-SSW (colonna destra, illustrando il ristabilimento parziale della circolazione zonale). Questa scelta temporale permette di tracciare l’evoluzione progressiva dell’evento, mettendo in evidenza i meccanismi fisici sottostanti, quali la propagazione delle onde planetarie, la convergenza energetica e l’accoppiamento verticale tra strati atmosferici, che sono fondamentali per comprendere la variabilità climatica invernale nell’emisfero settentrionale.

Nel pannello (a), vengono visualizzate le velocità del vento a un livello di pressione di 50 hPa (rappresentate attraverso sfumature cromatiche, con una scala che va dal blu scuro per velocità basse o negative a toni gialli e rossi per velocità elevate) e le altezze geopotenziali a 50 hPa (indicate da linee di contorno nere, che delineano le strutture isobariche). Questo livello, situato nella stratosfera media, è particolarmente sensibile alle perturbazioni del vortice polare, che funge da barriera dinamica per il trasporto di aria fredda polare verso latitudini inferiori. Nella fase iniziale (12-14 gennaio), il vortice appare robusto e simmetrico, con un nucleo centrale di venti zonali occidentali intensi (fino a oltre 50 m/s, indicati da toni caldi) centrato sul Polo Nord, riflettendo una configurazione stabile tipica di un vortice polare freddo e compatto, sostenuto da un gradiente termico marcato tra equatore e polo. Durante lo spostamento (21-23 febbraio), si osserva un indebolimento significativo: il vortice perde simmetria, con una elongazione verso l’Eurasia e una riduzione delle velocità massime (zone blu che indicano venti deboli o orientali), sintomo di un’intrusione di onde planetarie che trasferiscono quantità di moto negativo, decelerando il flusso zonale. Nella fase di recupero (27-29 febbraio), il vortice mostra segni di riorganizzazione, con un parziale ristabilimento delle velocità occidentali, sebbene con residui di asimmetria e zone di vento debole, indicative di un recupero graduale influenzato da feedback termodinamici e dinamici residui.

Il pannello (b) si concentra sulle anomalie delle altezze geopotenziali a 500 hPa (sfumature di colore, con una scala che varia dal blu per anomalie negative a rosso per positive, rappresentando deviazioni dalla media climatologica) e a 50 hPa (linee di contorno), fornendo un insight sull’accoppiamento verticale tra troposfera (500 hPa, livello medio-troposferico) e stratosfera. Queste anomalie sono cruciali per identificare pattern persistenti come i blocchi atmosferici, che ostacolano il flusso zonale e amplificano le onde di Rossby. Nella fase pre-spostamento (gennaio), le anomalie sono modeste e distribuite in modo relativamente uniforme, con lievi deviazioni positive o negative che non indicano perturbazioni significative. Durante lo spostamento (febbraio centrale), emerge un’anomalia positiva pronunciata a 500 hPa nella regione del Pacifico settentrionale (evidenziata da una scatola nera per delimitare l’area di interesse, estesa approssimativamente da 160° E a 160° W), con valori che superano i 200 metri, segnalando la formazione di un blocco di alta pressione barotropico che favorisce la deviazione del flusso zonale e l’amplificazione delle onde planetarie verso la stratosfera. Questa anomalia si allinea verticalmente con un pattern simile a 50 hPa, suggerendo un trasferimento di segnale discendente dalla stratosfera alla troposfera. Nella fase di recupero (fine febbraio), l’anomalia a 500 hPa persiste ma si attenua, con una ridistribuzione che indica la dissoluzione graduale del blocco, sebbene con residui che potrebbero influenzare il tempo meteorologico regionale, come ondate di freddo o anomalie precipitazionali.

Il pannello (c) illustra sezioni meridionali (cioè tagli latitudinali dall’equatore al polo, con l’asse verticale in scala logaritmica di pressione da 1000 hPa a 10 hPa) dei vettori del flusso di Eliassen-Palm (EP, rappresentati da frecce nere che indicano direzione e intensità del trasporto di energia ondulatoria, tracciate ogni quinto livello di pressione per chiarezza) e della loro divergenza (sfumature di colore, con blu per convergenza negativa, che indica decelerazione del flusso zonale, e rosso per divergenza positiva, associata ad accelerazione). Il flusso EP è un diagnostico chiave per quantificare l’attività delle onde planetarie e il loro impatto sulla circolazione media. Nella fase iniziale, i vettori mostrano una propagazione limitata verso l’alto, con divergenza modesta e distribuita uniformemente, riflettendo un regime stabile con onde deboli. Durante lo spostamento, si nota un’intensificazione della convergenza (zone blu intense tra 60° e 80° N nella stratosfera inferiore), con vettori diretti verso l’alto e verso il polo, indicativi di un trasferimento energetico dalla troposfera superiore (intorno a 300-100 hPa) alla stratosfera, che contribuisce alla rottura del vortice polare attraverso la dissipazione di quantità di moto. Nella fase di recupero, la divergenza positiva domina (tonalità rosse tra 70° e 80° N), con vettori che virano verso il basso, segnalando una riflessione delle onde verso la troposfera, un meccanismo che amplifica i pattern troposferici come i blocchi e modula la stabilità post-SSW.

Infine, il pannello (d) presenta sezioni meridionali simili, ma con i vettori del flusso EP sovrapposti alle velocità del vento zonale (sfumature di colore, con blu per venti orientali o deboli e rosso per occidentali intensi). Questo pannello enfatizza l’interazione diretta tra attività ondulatoria e circolazione zonale. Nella fase pre-spostamento, il vento zonale è prevalentemente occidentale e uniforme (tonalità rosse estese da 40° a 80° N), con vettori EP deboli che non perturbano significativamente il flusso. Durante lo spostamento, emerge un gradiente negativo del vento zonale (venti orientali nella stratosfera superiore, blu, contrapposti a occidentali inferiori), creando una “barriera riflettente” che ostacola la propagazione verticale delle onde, come teorizzato in modelli dinamici atmosferici. I vettori EP mostrano un’intensificazione verso l’alto, coincidente con la decelerazione zonale. Nella fase di recupero, si osserva un’accelerazione del vento zonale (rosso più intenso nella stratosfera media), con vettori EP diretti verso il basso, confermando la riflessione ondulatoria e il suo ruolo nel rafforzare i pattern troposferici, come il blocco nel Pacifico settentrionale.

Complessivamente, la Figura 2 integra osservazioni dinamiche e termodinamiche derivate da dati di radio-occultazione e rianalisi, offrendo una rappresentazione scientifica esaustiva dell’SSW del 2008 come evento di tipo riflettente, dove l’energia ondulatoria non è completamente assorbita nella stratosfera ma riflette verso la troposfera, influenzando la variabilità climatica su scala emisferica. Questa visualizzazione sottolinea l’importanza dell’accoppiamento verticale nell’evoluzione degli eventi estremi invernali, fornendo basi per studi previsionali e modellistici.

La Figura 3 presenta un’analisi dettagliata dell’evoluzione temporale e verticale delle condizioni atmosferiche durante l’evento di riscaldamento stratosferico improvviso (SSW) del 2008, coprendo un intervallo di ±30 giorni rispetto alla data centrale del 22 febbraio 2008. La figura è suddivisa in sei pannelli (a, b, c, d, e, f), ciascuno dei quali esplora variabili chiave che caratterizzano l’interazione tra stratosfera e troposfera durante l’evento, utilizzando dati mediati su latitudini specifiche e rappresentati in sezioni temporali-altezzimetriche. Questa rappresentazione consente di tracciare l’evoluzione dinamica del vortice polare, l’attività ondulatoria e i pattern di blocco atmosferico, offrendo una visione integrata dei processi fisici coinvolti.

Il pannello (a) mostra l’anomalia di temperatura ponderata per area, mediata tra 65° e 90° N, lungo un asse verticale in scala logaritmica di pressione (da 1000 hPa a 10 hPa) e un asse temporale centrato sulla data centrale dell’SSW. Le sfumature di colore indicano deviazioni dalla media climatologica, con tonalità rosse che rappresentano anomalie positive (riscaldamento) e blu quelle negative (raffreddamento). Prima dell’evento, le temperature mostrano fluttuazioni modeste, ma a partire da metà febbraio si osserva un significativo aumento delle anomalie positive nella stratosfera (sopra i 100 hPa), con picchi che superano i 20-30 K intorno ai 10 hPa, indicando un intenso riscaldamento polare associato alla destabilizzazione del vortice polare. Questo pattern si propaga verso il basso durante la fase di recupero, riflettendo l’influenza termodinamica dell’SSW sulla colonna atmosferica.

Il pannello (b) illustra la velocità del vento zonale medio a 60° N, sempre in funzione del tempo e della pressione. Le tonalità calde (rosse) indicano venti occidentali, mentre quelle fredde (blu) rappresentano venti orientali. Prima del 22 febbraio, il vento zonale è prevalentemente occidentale e intenso, tipico di un vortice polare stabile. Intorno alla data centrale, si verifica un’inversione a venti orientali nella stratosfera superiore (sopra i 30 hPa), che persiste per circa una settimana, segnando la fase acuta dell’SSW. Successivamente, il vento riprende a essere occidentale, segnalando il recupero del vortice, con una transizione graduale verso la normalità.

Il pannello (c) combina tre parametri: il flusso di calore meridionale eddy a 100 hPa, mediato tra 45° e 75° N (linea rossa continua), la sua climatologia giornaliera (linea rossa tratteggiata) e il vento zonale medio a 60° N e 10 hPa (linea blu continua). L’area grigia rappresenta l’intervallo tra il minimo e il massimo giornaliero del flusso di calore per il periodo 2007-2019. Il flusso di calore aumenta significativamente prima del 22 febbraio, con picchi che superano i 50 m/s·K, indicando una forte propagazione verso l’alto delle onde planetarie che contribuiscono all’inversione del vento zonale. Dopo la data centrale, il flusso di calore diventa negativo durante la fase di recupero, suggerendo una riflessione delle onde verso la troposfera. La linea blu mostra l’inversione del vento a 10 hPa, coerente con il picco del flusso di calore.

Il pannello (d) presenta l’anomalia della componente verticale del flusso di Eliassen-Palm (EP), mediata tra 45° e 75° N. Le sfumature di colore indicano deviazioni dal valore medio, con rosso per anomalie positive (propagazione verso l’alto) e blu per negative (propagazione verso il basso). Prima dell’SSW, si osservano anomalie negative nella troposfera inferiore (sotto i 300 hPa), seguite da un’intensificazione positiva nella stratosfera (sopra i 100 hPa) intorno al 20 febbraio, che riflette l’attività ondulatoria crescente. Durante la fase di recupero, emergono anomalie negative nella stratosfera superiore, indicando una riflessione verso il basso dell’energia ondulatoria.

Il pannello (e) mostra l’indice di blocco per la regione del Pacifico settentrionale, rappresentato come una barra temporale con colori che indicano l’intensità del blocco (da blu per valori bassi a rosso per alti). Il blocco si intensifica significativamente intorno al 27-29 febbraio, coincidendo con la fase di recupero, suggerendo un ruolo nel modulare la circolazione troposferica post-SSW.

Il pannello (f) presenta l’indice di blocco per la regione Euro-Atlantica, con un pattern simile ma meno pronunciato rispetto al Pacifico settentrionale. Il blocco si attiva brevemente durante la fase acuta, ma diventa più evidente nella fase di recupero, indicando un’influenza regionale differenziata.

La regione tratteggiata evidenzia i periodi con vento zonale negativo a 60° N e 10 hPa, mentre la linea verticale tratteggiata segna il massimo dell’anomalia di temperatura polare (80-90° N), indicando l’inizio della fase di recupero. La linea orizzontale tratteggiata a 200 hPa approssima il livello della tropopausa extratropicale, separando troposfera e stratosfera. Insieme, questi elementi forniscono un quadro completo dell’evoluzione dell’SSW del 2008, evidenziando il ruolo delle onde planetarie, del riscaldamento stratosferico e dei blocchi atmosferici nella dinamica dell’evento.

Eventi di Riscaldamento Stratosferico Improvviso (SSW) dal 2009 al 2019

Il Riscaldamento Stratosferico Improvviso (SSW, dall’inglese Sudden Stratospheric Warming) è un fenomeno atmosferico caratterizzato da un rapido e significativo aumento delle temperature nella stratosfera polare, con incrementi che possono raggiungere i 50 gradi Celsius in pochi giorni. Questo evento si verifica principalmente durante l’inverno, quando i venti stratosferici soffiano tipicamente da ovest. Gli SSW sono più frequenti nell’Emisfero Settentrionale, dove si manifestano approssimativamente una volta ogni due o tre anni, e sono strettamente legati a disturbi nel vortice polare stratosferico, una vasta circolazione di venti intorno ai poli.

Gli SSW vengono classificati in tre categorie principali in base alla loro intensità e all’impatto sui pattern dei venti:

• SSW maggiore: Si tratta degli eventi più intensi, in grado di invertire completamente il flusso dei venti occidentali nella stratosfera durante l’inverno. Possono perturbare notevolmente il vortice polare, dividendolo in vortici più piccoli o spostandolo dalla sua posizione abituale, con effetti che si estendono fino a latitudini intorno ai 60 gradi nord.
• SSW minore: Questi sono meno intensi e non invertono completamente i venti occidentali, ma aggiungono una componente orientale al flusso. Generalmente non sono sufficienti a disintegrare il vortice polare e hanno un impatto geografico più limitato.
• SSW finale: Questo tipo si verifica verso la fine dell’inverno e cambia permanentemente il flusso dei venti stratosferici da occidentale a orientale, tipico delle condizioni estive. Gli SSW finali sono solitamente eventi maggiori.

Le cause degli SSW sono spesso associate a potenti onde di Rossby, che sono onde atmosferiche su larga scala nella troposfera, lo strato più basso dell’atmosfera. Queste onde possono crescere al punto da estendersi nella stratosfera, specialmente durante periodi di forti sistemi meteorologici e gradienti termici marcati, come quelli generati da aree di bassa pressione. L’intrusione di aria più calda dalla troposfera nella stratosfera più fredda provoca un riscaldamento delle temperature in quota e altera i pattern dei venti invernali normali, disturbando il vortice polare. L’Emisfero Settentrionale registra più SSW a causa della maggiore estensione di terre emerse, che crea opportunità per gradienti termici più netti in grado di indurre un’attività intensa delle onde di Rossby. Inoltre, l’oscillazione quasi-biennale (QBO), un pattern ricorrente di venti nella stratosfera equatoriale, può influenzare l’occorrenza degli SSW. Quando la QBO è nella sua fase orientale, può rafforzare l’interazione tra le onde di Rossby e il vortice polare, aumentando la probabilità di un SSW.

Sebbene gli SSW influenzino principalmente la stratosfera, hanno effetti notevoli sul tempo e sul clima superficiale nell’Emisfero Settentrionale. Possono indebolire i venti occidentali usuali nella troposfera, portando a cali di temperatura nelle regioni a media latitudine. La perturbazione del vortice polare permette all’aria fredda di scendere dalla stratosfera, causando diffuse incursioni di aria fredda e ondate di freddo. Questi effetti si manifestano tipicamente entro una settimana o dieci giorni a livello superficiale. I cambiamenti risultanti possono creare pattern di blocco atmosferico e gradienti termici più accentuati, spingendo le traiettorie delle tempeste più vicine all’equatore e aumentando le precipitazioni nelle aree a media latitudine, mentre le regioni ad alta latitudine potrebbero rimanere secche. Inoltre, queste condizioni possono intensificare i cicloni extratropicali, potenzialmente portando a eventi di vento lineare più frequenti e severi.

Tra il 2009 e il 2019, si sono verificati diversi eventi di SSW di tipo II, caratterizzati principalmente dalla divisione del vortice polare stratosferico (SPV). Gli eventi del 2010, 2013, 2016 e 2019 sono stati di tipo misto, in cui il vortice si è prima spostato dalla sua posizione usuale e poi si è diviso in due parti. Al contrario, gli eventi del 2009 e del 2018 sono stati puramente di tipo divisione, con il vortice che si è separato senza uno spostamento preliminare. Questi eventi condividono tratti comuni come un riscaldamento profondo e prolungato nella stratosfera polare, una inversione dei venti che dura diverse settimane e una propagazione graduale e estesa dell’attività ondulatoria verso la stratosfera.

L’evento del gennaio 2009, con data centrale il 24 gennaio, è stato un riscaldamento maggiore da record a metà inverno. Il vortice polare stratosferico ha subito una decelerazione monumentale, con i venti zonali medi occidentali che sono passati da valori elevati all’inizio di gennaio a venti orientali record entro la fine del mese. Questo ha portato a una divisione classica del vortice in due parti attraverso l’intera profondità della stratosfera. Le temperature nel cappuccio polare sono aumentate drasticamente, raggiungendo valori record superiori a quelli tipici della stratosfera artica estiva. L’evento è stato associato a un’attività ondulatoria massiccia, con flussi di calore estremamente elevati. Gli impatti si sono estesi alla troposfera, portando venti orientali e temperature più fredde del normale in aree come le Isole Britanniche, con nevicate diffuse all’inizio di febbraio. Rispetto ad altri eventi, il 2009 rimane uno dei più significativi per la sua intensità e persistenza, con effetti che si sono protratti fino a fine marzo.

Nel febbraio 2010, con data centrale il 9 febbraio, e nel marzo 2010, con data centrale il 24 marzo, si sono verificati due eventi. Il primo è stato un SSW maggiore misto, con spostamento e successiva divisione del vortice, influenzato da condizioni di El Niño e fase occidentale della QBO. Il riscaldamento polare è stato profondo, con inversione dei venti che ha durato settimane, e una propagazione ondulatoria continua per circa 40 giorni. L’evento di marzo è stato un SSW finale, segnando la transizione permanente ai pattern estivi.

L’evento del gennaio 2013, intorno al 6-7 gennaio, è stato un altro SSW maggiore misto, sotto condizioni neutre di ENSO e fase orientale della QBO. Il vortice si è spostato verso l’Eurasia prima di dividersi, con un riscaldamento stratosferico marcato che si è propagato verso il basso. L’attività ondulatoria ha mostrato picchi multipli sovrapposti, contribuendo a una propagazione upward prolungata.

Nel 2016, si è verificato un SSW minore a febbraio, seguito da un SSW maggiore finale tra il 5 e il 6 marzo. Quest’ultimo ha causato la dispersione dell’aria del vortice e la terminazione della perdita chimica di ozono nell’Artico. L’evento è stato incluso nelle analisi per le sue caratteristiche principali di SSW, nonostante non abbia avuto una fase di recupero del vortice, essendo un riscaldamento finale. Ha influenzato la temperatura nella mesosfera e termica inferiore, con variazioni significative dovute all’attività ondulatoria.

L’SSW del febbraio 2018, con data centrale il 12 febbraio, è stato un evento maggiore sotto condizioni di La Niña e fase occidentale della QBO. Simile a inverni più dinamici tranquilli, ha comportato un trasporto discendente di ossido nitrico dalla mesosfera superiore alla stratosfera inferiore, senza una stratosfera elevata marcata. Il vortice si è diviso direttamente, con un riscaldamento prolungato e inversione dei venti per settimane. L’attività ondulatoria è stata potenziata prima della divisione e è durata circa 24 giorni.

Infine, l’evento del gennaio 2019, intorno al 2 gennaio, è stato un SSW maggiore misto sotto condizioni moderate di El Niño, fase orientale della QBO, minimo solare e fasi 4-6 del Madden-Julian Oscillation. Il vortice si è spostato verso l’Eurasia a metà dicembre 2018, si è allungato verso l’Atlantico Nord il 22 dicembre e si è diviso in due lobi il 2 gennaio, continuando a separarsi fino a metà gennaio. Il riscaldamento polare è stato significativo, con propagazione verso il basso fino a circa 200 hPa, e un’inversione dei venti duratura. L’attività ondulatoria ha raggiunto il picco durante lo spostamento e è diminuita gradualmente, con pattern di attività migliorati nella troposfera prima della riduzione stratosferica. Questo evento è stato uno dei più forti casi di effetto indiretto di precipitazione di particelle energetiche dal 2003, con aumenti sostanziali di ossido nitrico nella stratosfera superiore. La prevedibilità in tempo reale è stata influenzata da questi fattori climatici, rendendolo un caso studio per la dinamica atmosferica.

In generale, questi eventi dal 2009 al 2019 hanno mostrato una propagazione ondulatoria graduale e prolungata, con picchi multipli che hanno sostenuto il disturbo del vortice per periodi estesi. Nella troposfera, si sono osservati pattern di blocco Euro-Atlantico, con anomalie positive di altezza geopotenziale a 500 hPa, che hanno influenzato il tempo superficiale con incursioni di freddo e cambiamenti nelle precipitazioni. Questi SSW evidenziano l’interconnessione tra stratosfera e troposfera, con impatti che si estendono al clima globale.

Tra il 9 e l’11 gennaio 2019, l’indice di blocco atmosferico ha evidenziato la presenza di un blocco Euro-Atlantico, come mostrato in Fig. 5f. Questo fenomeno ha coinciso con un’anomalia positiva dell’altezza geopotenziale a 50 hPa, centrata sul Polo Nord e estesa verso l’Atlantico settentrionale, suggerendo una connessione verticale tra stratosfera e troposfera (Fig. 4b). Secondo Butler et al. (2020), anomalie geopotenziali fortemente positive nel cappuccio polare stratosferico, o la fase negativa dell’indice del Modo Annulare Settentrionale (NAM), sono state osservate dalla fine di dicembre 2018 fino a metà gennaio 2019, in concomitanza con il blocco sull’Atlantico settentrionale. Yessimbet et al. (2022b) suggeriscono inoltre un possibile legame tra questo blocco e la configurazione del vortice polare stratosferico (SPV) nel gennaio 2019. Analogamente, gli eventi di Riscaldamento Stratosferico Improvviso (SSW) avvenuti tra il 2009 e il 2018 hanno mostrato episodi di blocco Euro-Atlantico poco dopo la divisione dell’SPV, con configurazioni dell’altezza geopotenziale simili a un pattern negativo dell’Oscillazione Artica (AO), come evidenziato nelle figure A4e–f, A6e–f, A8e–f, A10e–f e A12e–f.

Il blocco atmosferico, in particolare quello Euro-Atlantico, rappresenta un pattern persistente di alta pressione che interrompe il flusso zonale prevalente dei venti occidentali nella troposfera media, causando deviazioni nelle traiettorie delle perturbazioni meteorologiche e favorendo condizioni estreme come ondate di freddo o precipitazioni intense in regioni specifiche. Questa struttura anticiclonica può durare da giorni a settimane e è spesso associata a una ridotta attività ciclonica downstream, con impatti significativi sul clima europeo e nordamericano. Nel contesto degli SSW, il blocco agisce come un precursore o un amplificatore della coupling verticale, dove le anomalie stratosferiche si propagano downward influenzando i pattern troposferici. La fase negativa del NAM, un indice che quantifica le variazioni della pressione atmosferica polare attraverso l’intera colonna atmosferica, indica un indebolimento del vortice polare e una maggiore variabilità del flusso zonale, facilitando la discesa di aria fredda artica verso latitudini medie. Similmente, il pattern negativo dell’AO riflette una pressione più alta alle medie latitudini e più bassa al polo, promuovendo configurazioni che favoriscono blocchi persistenti e incursioni di freddo.

Un’analisi più dettagliata del flusso di Eliassen-Palm (EP), un vettore diagnostico che rappresenta il trasporto di momentum e calore associato alle onde planetarie nella stratosfera, durante la prima settimana della fase di recupero dell’SSW del 2019 rivela una propagazione continua delle onde atmosferiche dalla troposfera alla stratosfera, come illustrato nelle Fig. 4c e 4d. All’inizio di gennaio, una grande zona di convergenza del flusso EP nella stratosfera ha causato una decelerazione dei venti zonali (u), che sono i venti dominanti da ovest a est intorno al polo. Man mano che i vettori del flusso EP si propagavano verso il polo e verso l’alto, i venti al polo sono diventati orientali e si sono estesi verso il basso, contribuendo all’inversione del vortice polare. Il flusso EP è uno strumento essenziale per studiare la dinamica delle SSW, poiché quantifica come le onde di Rossby, generate da gradienti termici e topografici nella troposfera, penetrano nella stratosfera e decelerano il jet polare notturno, portando al riscaldamento improvviso. In molti eventi SSW, inclusi quelli dal 2009 al 2019, si osserva un picco positivo di flusso EP upward prima dell’evento, spesso preceduto da anomalie troposferiche, che sottolinea il ruolo delle interazioni bottom-up nella genesi di questi fenomeni.

Per esplorare ulteriormente la relazione tra il blocco sull’Atlantico settentrionale e i dettagli della propagazione dell’attività ondulatoria, l’evoluzione del flusso di Plumb tridimensionale e le anomalie di altezza geopotenziale risolte verticalmente sono mostrate in Fig. B2. Il flusso di Plumb, una metrica tridimensionale che estende il concetto di EP flux per visualizzare la propagazione non zonale delle onde planetarie, rivela come l’attività ondulatoria si intensifichi e si propaghi verso l’esterno dalle anomalie positive di altezza geopotenziale, centrate tra 50 e 0° Ovest, durante la formazione del blocco. Questo suggerisce che i pacchetti di onde originati dal blocco sull’Atlantico settentrionale si propagano nella stratosfera, contribuendo all’indebolimento del vortice e allo sviluppo ulteriore dell’SSW. Il flusso di Plumb è particolarmente utile per diagnosticare la coupling stratosfera-troposfera, poiché cattura le traiettorie oblique e meridionali delle onde, evidenziando come le perturbazioni troposferiche possano amplificare o innescare disturbi stratosferici, e viceversa, attraverso meccanismi di feedback che coinvolgono la circolazione residua di Brewer-Dobson. In generale, la propagazione continua verso l’alto dell’attività ondulatoria (mostrata dal flusso EP) nella stratosfera e la discesa profonda dei venti orientali dalla stratosfera alla troposfera durante la fase di recupero dell’SSW sono caratteristiche tipiche anche degli eventi del 2009–2018, come mostrato nelle figure A3c–d, A5c–d, A7c–d, A9c–d e A11c–d. Questi pattern indicano una forte interazione bidirezionale, dove le onde ascendenti dalla troposfera decelerano il vortice, mentre le anomalie discendenti modulano i regimi meteorologici superficiali, come blocchi e ondate di freddo.

Le caratteristiche degli eventi SSW avvenuti tra il 2009 e il 2019 sono in linea con la descrizione degli eventi SSW di tipo assorbente, come delineato da Kodera et al. (2016). Su questa base, gli eventi SSW dal 2009 al 2019 sono classificati come assorbenti, indicando che l’energia delle onde atmosferiche viene assorbita nella stratosfera, contribuendo a perturbazioni significative del vortice polare e a impatti duraturi sulla dinamica atmosferica. Negli SSW assorbenti, le onde planetarie sono assorbite nella regione polare stratosferica, portando a una migrazione poleward e downward della zona di decelerazione dei venti, che si collega direttamente al modo anulare in superficie e amplifica effetti come il pattern negativo dell’AO o del NAM. Al contrario, negli eventi riflettenti, le onde vengono riflesse indietro verso la troposfera senza un’assorbimento completo, risultando in disturbi più transitori e meno profondi. Questa classificazione aiuta a spiegare la persistenza degli impatti troposferici negli eventi analizzati, inclusi blocchi prolungati e variazioni climatiche come ridotte attività di polar low o modulazioni delle precipitazioni nelle regioni Euro-Atlantiche. Studi osservazionali confermano che la maggior parte degli SSW boreali, inclusi quelli dal 2009 al 2019, tende verso il tipo assorbente, specialmente in presenza di forte attività ondulatoria pre-evento, influenzata da fattori come la fase della Quasi-Biennial Oscillation (QBO) o El Niño-Southern Oscillation (ENSO).

La Figura 4 fornisce un’analisi multidimensionale e temporale dell’evoluzione del Riscaldamento Stratosferico Improvviso (SSW) avvenuto nel gennaio 2019 nell’Emisfero Settentrionale, focalizzandosi sulle dinamiche del vortice polare stratosferico (SPV). Questa figura è strutturata in quattro righe (a-d), ognuna delle quali rappresenta un parametro atmosferico chiave, mediato su periodi di tre giorni per catturare fasi distinte dell’evento: lo spostamento iniziale dell’SPV (25-27 dicembre 2018, colonna sinistra), la fase di divisione o split (1-3 gennaio 2019, colonna centrale) e la fase post-divisione (7-9 gennaio 2019, colonna destra). I dati derivano probabilmente da reanalisi atmosferiche come ERA5 o MERRA-2, comunemente utilizzate negli studi su SSW per la loro alta risoluzione spaziale e temporale. L’SSW del 2019 è stato un evento maggiore di tipo misto, caratterizzato da un iniziale spostamento del vortice verso l’Eurasia seguito da una divisione in due lobi, con un riscaldamento polare stratosferico che ha raggiunto picchi di oltre 30-40 K e un’inversione dei venti zonali che ha persistito per settimane, influenzando significativamente il clima troposferico euro-atlantico. La casella nera presente nelle mappe della riga (b) evidenzia la regione di blocco Euro-Atlantico selezionata, un’area critica per studiare le interazioni stratosfera-troposfera durante questi eventi.

La riga (a) illustra l’evoluzione del vortice polare stratosferico attraverso mappe polari centrate sul Polo Nord, raffiguranti probabilmente il campo di vento zonale o la vorticità potenziale a 10 hPa (circa 30-32 km di altitudine, livello stratosferico medio). La scala cromatica va da blu scuro (valori negativi, indicanti venti orientali o indebolimento) a rosso (valori positivi fino a 65 m/s, rappresentando venti occidentali forti tipici del vortice invernale). Nella fase di spostamento (25-27 dicembre 2018), il vortice appare ancora compatto ma inizia a deformarsi, con un centro spostato verso l’Eurasia e contorni che indicano un’elongazione iniziale; questo riflette l’azione iniziale delle onde planetarie (principalmente onda numero 1) che perturbano il jet polare notturno, decelerandolo da valori tipici di 40-60 m/s. Durante la divisione (1-3 gennaio 2019), il vortice si allunga ulteriormente verso l’Atlantico settentrionale, formando due lobi distinti con una riduzione media delle velocità del vento a circa 20-40 m/s al centro, un segno classico di SSW split-type dove l’energia ondulatoria converge poleward, causando una rottura simmetrica del vortice. Nella fase post-divisione (7-9 gennaio 2019), i due lobi sono completamente separati, con venti che diventano prevalentemente orientali (valori negativi fino a -20 m/s o più), indicando un collasso totale del vortice e una propagazione downward del segnale di riscaldamento. Questo pattern è coerente con osservazioni che mostrano come gli SSW split portino a una maggiore persistenza delle anomalie troposferiche rispetto agli eventi di spostamento puro, grazie a una più efficiente coupling verticale mediata dal modo anulare settentrionale (NAM).

La riga (b) presenta le anomalie dell’altezza geopotenziale (GPH, Geopotential Height) a 500 hPa (circa 5-6 km di altitudine, livello troposferico medio), con una scala da -350 m (blu, anomalie negative indicanti bassa pressione) a +350 m (rosso, anomalie positive indicanti alta pressione). Queste mappe polari evidenziano la risposta troposferica all’SSW. Nella fase iniziale (25-27 dicembre), si osserva un’anomalia positiva moderata (+150-250 m) centrata sul Polo Nord, con estensione verso l’Eurasia, che segnala l’inizio di un pattern di blocco atmosferico; questo è spesso preceduto da un’amplificazione delle onde di Rossby troposferiche, generate da gradienti termici accentuati tra oceani e continenti. Durante la divisione (1-3 gennaio), l’anomalia si intensifica (+250-350 m) e si estende verso l’Atlantico settentrionale, coincidente con la casella nera che delimita la regione Euro-Atlantica (approssimativamente 0°-60° W, 50°-70° N), dove il blocco anticiclonico persiste, interrompendo il flusso zonale e favorendo incursioni di aria fredda artica verso l’Europa e il Nord America. Nella fase post-divisione (7-9 gennaio), l’anomalia rimane elevata ma si biforca, riflettendo la divisione del vortice superiore; questo pattern somiglia a una fase negativa dell’Oscillazione Artica (AO), con pressione più alta alle medie latitudini e più bassa al polo, che amplifica effetti come ondate di freddo persistenti e cambiamenti nelle precipitazioni, con impatti che possono durare 4-6 settimane dopo l’evento.

La riga (c) mostra sezioni trasversali latitudine-altezza (da 40°N a 80°N sull’asse orizzontale, e pressione logaritmica da 10 hPa a 1000 hPa sull’asse verticale) della divergenza del flusso di Eliassen-Palm (EP flux divergence, in m/s/day), con sovrapposte frecce che indicano la direzione e l’intensità del flusso EP stesso (un vettore diagnostico che quantifica il trasporto di momentum e calore da parte delle onde planetarie). La scala cromatica va da -50 (blu, convergenza forte che decelera i venti zonali) a +50 (rosso, divergenza che accelera i venti). Nella fase di spostamento, si nota un’attività ondulatoria in aumento nella troposfera inferiore (sotto 300 hPa), con frecce upward che indicano propagazione verso la stratosfera e una convergenza moderata (-20 a -30 m/s/day) intorno ai 60°N-70°N a 50-100 hPa, contribuendo all’iniziale indebolimento del vortice; questo è tipico degli SSW dove le onde numero 1 e 2, amplificate da precursori troposferici come blocchi sull’Ural o sull’Atlantico, penetrano la stratosfera critica layer. Durante la divisione, la convergenza si intensifica (-30 a -50 m/s/day) nella stratosfera media (20-50 hPa), con frecce poleward e upward che culminano in un picco di assorbimento energetico, causando il rapido riscaldamento adiabatico per compressione discendente. Post-divisione, la convergenza diminuisce, ma residue frecce downward indicano una propagazione del segnale verso la troposfera, amplificando il blocco Euro-Atlantico.

Infine, la riga (d) raffigura sezioni simili per il vento zonale medio (U, in m/s), con scala da -40 (blu, venti orientali) a +40 (rosso, venti occidentali). Nella fase iniziale, U è prevalentemente positivo (20-40 m/s) nella stratosfera polare, ma inizia a decelerare intorno ai 60°N; durante la divisione, si osserva un’inversione completa a venti orientali (-20 a -40 m/s) che si propaga downward fino a 200-300 hPa, un criterio diagnostico standard per classificare un SSW come maggiore secondo la definizione WMO (inversione di U a 60°N e 10 hPa). Post-divisione, l’inversione persiste e si approfondisce, estendendosi alla troposfera e collegandosi al pattern negativo dell’AO, con effetti come un indebolimento del jet stream atlantico che favorisce anomalie meteorologiche estreme.

In sintesi, la Figura 4 cattura l’interconnessione tra propagazione ondulatoria, perturbazione del vortice e coupling stratosfera-troposfera durante l’SSW del 2019, un evento classificato come assorbente per l’efficiente assorbimento delle onde planetarie nella stratosfera, con impatti prolungati sul clima superficiale. Studi modellistici hanno mostrato che la prevedibilità di questo evento ha superato i 18 giorni in modelli sub-stagionali, grazie a una forte forzatura ondulatoria pre-evento.

4.3 Vista temporale-altitudinale dell’attività ondulatoria per gli eventi SSW dal 2007 al 2019

La sezione 4.3 presenta un’analisi dell’evoluzione temporale e altitudinale dell’attività ondulatoria durante gli eventi di Riscaldamento Stratosferico Improvviso (SSW) tra il 2007 e il 2019, illustrata nella Figura 6. Questa figura mostra l’anomalia del parametro Fp, che misura l’attività ondulatoria e rappresenta il flusso verticale di energia e momentum associato alle onde planetarie, mediata tra i 45° e i 75° di latitudine nord, insieme all’indice di blocco atmosferico, osservati entro un intervallo di ±30 giorni rispetto a ciascun evento SSW. L’analisi copre la propagazione verticale delle onde atmosferiche, principalmente onde di Rossby su larga scala generate da gradienti termici e topografici nella troposfera, e la loro relazione con i pattern di blocco, offrendo una visione approfondita delle dinamiche stratosferiche e troposferiche. Tali onde giocano un ruolo cruciale negli SSW, decelerando il jet polare notturno e causando il rapido riscaldamento adiabatico della stratosfera polare, con temperature che possono aumentare di 30-50 K in pochi giorni. Studi osservazionali basati su rianalisi come ERA-Interim o MERRA-2 hanno evidenziato come questi pattern di attività ondulatoria varino in intensità e durata, influenzando la classificazione degli SSW in tipi assorbenti (dove l’energia ondulatoria è assorbita nella stratosfera, portando a perturbazioni prolungate) o riflettenti (dove le onde sono riflesse indietro verso la troposfera, risultando in effetti più transitori).

Prima di ogni evento SSW, si osserva un marcato aumento dell’attività ondulatoria nella stratosfera, evidenziato da aree di colore blu, che spesso si estende al di sotto dei 100 hPa (circa 16 km di altitudine, livello che segna il confine tra bassa e media stratosfera). Questo incremento riflette l’intrusione di energia ondulatoria che perturba il vortice polare, riducendo la sua stabilità e favorendo il riscaldamento. In quasi tutti i casi, questo incremento è preceduto da un aumento dell’attività ondulatoria nella troposfera di alcuni giorni, suggerendo una propagazione verso l’alto delle onde, un meccanismo bottom-up dove anomalie troposferiche, come blocchi anticiclonici o forti gradienti termici, amplificano le onde planetarie che penetrano la stratosfera critica layer (zona dove i venti zonali permettono la propagazione verticale). L’eccezione è rappresentata dall’evento del 2007, in cui l’intensificazione stratosferica avviene senza un evidente segnale preliminare nella troposfera, forse dovuto a una propagazione più rapida o a condizioni preesistenti del vortice. Tuttavia, circa 20 giorni prima, si nota un altro significativo aumento dell’attività ondulatoria, che inizia nella troposfera e poi si propaga nella stratosfera sopra i 70 hPa (circa 18-20 km), indicando una possibile preparazione del vortice polare stratosferico (SPV) a subire perturbazioni, un processo noto come preconditioning che rende il vortice più suscettibile a successivi disturbi.

Confrontando i singoli eventi, i segnali di propagazione verso l’alto delle onde associate agli SSW risultano meno marcati e di durata più breve nel 2007 e nel 2008, come anche la durata dell’inversione dei venti zonali in quegli anni, che tipicamente persiste per meno di due settimane negli eventi riflettenti. Negli altri sei eventi, i segnali di propagazione dell’attività ondulatoria prima dell’inversione dei venti sono più evidenti e si protraggono per un periodo più lungo, spesso oltre 30-40 giorni, riflettendo una maggiore assorbimento di energia ondulatoria e impatti più duraturi sulla circolazione stratosferica. Il segnale più forte di aumento dell’attività ondulatoria poco prima della divisione del vortice si osserva nel 2009, un evento maggiore caratterizzato da un riscaldamento record e una divisione simmetrica del vortice, influenzato da onde numero 2 dominanti. Per gli eventi del 2010, 2013 e 2019, si rileva un incremento di Fp nelle due settimane precedenti l’inversione dei venti, in coincidenza con lo spostamento del vortice, dove le onde numero 1 causano un iniziale displacement prima della split. Alla fine di gennaio e all’inizio di febbraio 2016, si registra un’intensificazione di Fp durante un evento SSW minore, come riportato da Dörnbrack et al. (2018), che ha coinvolto una forte interazione con la mesosfera e impatti sul budget di ozono artico. Nel 2018, si osservano tre episodi di aumento di Fp, separati da intervalli di circa due settimane prima della divisione del vortice, un pattern che evidenzia la pulsazione dell’attività ondulatoria tipica di inverni con QBO occidentale. Il primo episodio è continuo lungo tutta la colonna atmosferica, con un breve ritardo tra le anomalie troposferiche e stratosferiche, indicando una propagazione verticale efficiente. Il secondo episodio si manifesta prima nella troposfera e poi nella stratosfera sopra i 100 hPa, senza continuità verticale tra le due regioni, suggerendo un’amplificazione locale piuttosto che una trasmissione diretta. Questi due segnali non sono stati sufficienti a indebolire il vortice e a scatenare un evento SSW, probabilmente a causa di una insufficiente convergenza poleward. Il terzo episodio di intensificazione di Fp è il più forte, con chiari segni di propagazione verso l’alto prima della divisione del vortice, culminando in un SSW maggiore con effetti estesi sulla troposfera, inclusi blocchi persistenti. Un’analisi più approfondita dell’evento del 2018 (Fig. A12) rivela che solo i segnali verticalmente continui, marcati da picchi di v′T′ (flusso di calore meridionale) a 100 hPa, coincidono con l’indebolimento dei venti. Questo sembra valere per tutti gli altri eventi SSW, suggerendo che la propagazione o l’amplificazione dell’attività ondulatoria nella stratosfera inferiore (intorno ai 100 hPa) sia più cruciale per l’indebolimento del vortice rispetto a quella nelle regioni medie e superiori della stratosfera, dove le onde potrebbero essere dissipate senza impatti significativi sul jet polare.

Riguardo agli episodi di blocco atmosferico, sia nel 2007 che nel 2008, il blocco sul Pacifico settentrionale diventa evidente poco dopo il recupero dei venti, un pattern tipico degli SSW riflettenti dove la coupling downward è limitata e gli effetti troposferici sono ritardati. Per gli altri eventi SSW, si osserva che il blocco Euro-Atlantico si manifesta immediatamente dopo l’inizio della fase di recupero dell’SSW e durante e dopo (nel caso del 2018) l’inversione dei venti, favorendo configurazioni persistenti che deviano le traiettorie delle tempeste e causano ondate di freddo estreme in Europa e Nord America.

Per comprendere meglio le differenze tra gli eventi SSW, è stata analizzata anche l’evoluzione delle anomalie di stabilità statica, calcolate come media zonale nella regione polare (75-90° N), come mostrato nella Figura 7. La stabilità statica, misurata dal gradiente verticale di temperatura potenziale, indica la resistenza dell’atmosfera ai moti verticali e è cruciale per la dinamica della tropopausa. Negli eventi SSW dal 2009 al 2019, si nota un aumento dell’anomalia di stabilità statica vicino ai 300 hPa (circa 9 km di altitudine) durante l’inversione dei venti. Questo incremento della stabilità statica indica un rafforzamento dello strato di inversione della tropopausa (TIL, Tropopause Inversion Layer) nella regione polare dopo gli SSW, un fenomeno che riduce la miscelazione verticale e influenza il trasporto di ozono e aerosol tra troposfera e stratosfera. Questa osservazione conferma i risultati di Grise et al. (2010), che hanno dimostrato un potenziamento della magnitudo del TIL a seguito di SSW, attribuendolo a una maggiore discesa adiabatica di aria stratosferica fredda e stabile verso la tropopausa. Studi di caso come quelli di Wargan e Coy (2016), basati su rianalisi, e Wang et al. (2016), che hanno utilizzato misurazioni da Formosat-3/COSMIC RO (Radio Occultation), hanno descritto un rafforzamento della stabilità statica vicino alla tropopausa polare dopo l’evento SSW del 2009, con implicazioni per la chimica atmosferica e la prevedibilità sub-stagionale. Nelle nostre osservazioni, gli eventi del 2009 e del 2013 mostrano il maggiore potenziamento della magnitudo del TIL polare, forse dovuto a una più intensa propagazione downward del segnale NAM negativo. Si nota anche una diminuzione dell’incremento della stabilità statica dal livello della stratosfera a quello della tropopausa durante l’inizio degli SSW, osservabile nelle anomalie di stabilità statica per gli eventi del 2009, 2016, 2018 e 2019 e nel loro valore assoluto per tutti gli SSW (Fig. S4a). Questo indica che gli eventi SSW assorbenti del 2009-2019 hanno avuto impatti più forti e prolungati (in termini di riscaldamento termico) sull’alta troposfera e bassa stratosfera (UTLS, Upper Troposphere Lower Stratosphere) e sul potenziamento del TIL polare rispetto agli eventi riflettenti del 2007 e 2008. Negli eventi riflettenti, l’incremento della magnitudo del TIL è molto più debole rispetto a quelli assorbenti, con effetti limitati alla stratosfera superiore e una minore influenza sulla troposfera. Nel 2008, l’aumento dell’anomalia di stabilità statica si è verificato alla fine di marzo durante l’ultima inversione dei venti, coincidente con un SSW finale che ha segnato la transizione alla circolazione estiva. Complessivamente, questa analisi sottolinea come la variabilità dell’attività ondulatoria e della stabilità statica distingua gli SSW assorbenti da quelli riflettenti, con implicazioni per la modellistica climatica e la previsione di eventi estremi invernali, specialmente in un contesto di cambiamenti climatici che potrebbero alterare la frequenza e l’intensità di questi fenomeni.

La Figura 5 fornisce un’analisi multidimensionale e temporale dettagliata dell’evoluzione del Riscaldamento Stratosferico Improvviso (SSW) avvenuto nel gennaio 2019 nell’Emisfero Settentrionale, con un focus sull’intervallo di ±30 giorni rispetto alla data centrale del 2 gennaio 2019, che segna l’inizio dell’inversione dei venti zonali a 60°N e 10 hPa. Questa figura, simile in struttura alla Figura 3 ma specifica per l’evento del 2019, è composta da cinque pannelli (a-e) che illustrano parametri atmosferici chiave derivati probabilmente da rianalisi come ERA5 o MERRA-2, consentendo di tracciare le fasi di preconditioning, onset, picco e recupero dell’SSW. L’evento del 2019 è stato classificato come un SSW maggiore di tipo misto (displacement followed by split), influenzato da una forte attività ondulatoria pre-evento, con un riscaldamento polare stratosferico che ha raggiunto anomalie di +30-50 K nella media stratosfera e un’inversione dei venti zonali che ha persistito per oltre due settimane, portando a significativi impatti sul clima troposferico, inclusi blocchi persistenti e ondate di freddo in regioni euro-atlantiche. Questo SSW è stato uno dei più intensi dal 2003 in termini di effetto indiretto di precipitazione di particelle energetiche (EPP-IE), con un trasporto discendente marcato di ossido nitrico (NO) dalla mesosfera superiore alla stratosfera inferiore, risultando in anomalie positive di NO superiori a 50 volte i valori climatologici per i tre mesi successivi all’onset, un fenomeno che ha alterato la composizione chimica atmosferica e influenzato il budget di ozono artico. La prevedibilità di questo evento ha superato i 18-20 giorni in modelli sub-stagionali come ECMWF, grazie a una forzatura ondulatoria robusta e a fattori teleconnettivi come una fase moderata di El Niño e la fase orientale della Quasi-Biennial Oscillation (QBO), che hanno facilitato l’amplificazione delle onde planetarie.

Il pannello (a) raffigura un diagramma tempo-altezza dell’anomalia di temperatura (T) mediata sul cappuccio polare (65°-90°N), con l’asse verticale in scala logaritmica di pressione (da 10 hPa, circa 30-32 km di altitudine nella media stratosfera, a 1000 hPa, livello superficiale) e l’asse orizzontale che copre dal 7 dicembre 2018 al 1 febbraio 2019. La scala cromatica spazia da blu scuro (-30 K, anomalie fredde) a rosso intenso (+30 K, anomalie calde). A partire da metà dicembre 2018, si nota un graduale aumento delle temperature nella stratosfera inferiore (100-300 hPa, circa 12-16 km), culminante in un picco di +20-30 K intorno al 2 gennaio tra 10 e 50 hPa, indicante il riscaldamento adiabatico rapido causato dalla convergenza poleward delle onde di Rossby, che decelerano il jet polare e inducono una subsidenza compensativa con compressione dell’aria. Questo riscaldamento si propaga downward, estendendosi fino a circa 200 hPa entro fine gennaio, con una persistenza di anomalie positive (+10-20 K) che riflette una stratopausa elevata (elevated stratopause), un tratto distintivo di questo SSW rispetto ad altri come quello del 2018, dove tale elevazione era assente; la stratopausa elevata ha facilitato un trasporto verticale rafforzato di specie chimiche come NO, con implicazioni per la dinamica mesosferica e la circolazione residua di Brewer-Dobson. Le aree tratteggiate o ombreggiate indicano periodi di transizione, evidenziando come il preconditioning troposferico (aumento di attività ondulatoria da inizio dicembre) abbia preparato il vortice a un disturbo significativo.

Il pannello (b) illustra l’evoluzione del vento zonale medio (ū) a 60°N, con una scala da -60 m/s (blu, venti orientali indicanti inversione) a +60 m/s (rosso, venti occidentali forti). Prima dell’onset, i venti sono prevalentemente occidentali (20-50 m/s) nella stratosfera, coerenti con il vortice polare invernale stabile. Intorno al 2 gennaio, si verifica un rapido indebolimento e inversione a valori orientali (-20 a -40 m/s) tra 10 e 100 hPa, un marker diagnostico per SSW maggiore secondo la World Meteorological Organization (WMO), che richiede un’inversione completa a 60°N e 10 hPa. Questa inversione persiste per circa 15-20 giorni, con un recupero graduale verso venti deboli occidentali (+10-20 m/s) a fine gennaio, riflettendo una fase di recupero prolungata tipica degli SSW assorbenti, dove l’energia ondulatoria è assorbita poleward causando una migrazione downward della zona di decelerazione. Rispetto al 2018, l’inversione del 2019 è stata più disruptiva, con un collasso del vortice che ha coinvolto una divisione in due lobi, amplificando gli effetti downward sul modo anulare settentrionale (NAM) negativo. L’area tratteggiata delimita il periodo di inversione, sottolineando la durata e la profondità verticale del disturbo, che si è esteso fino alla troposfera superiore influenzando il jet stream atlantico.

Il pannello (c) presenta curve temporali del flusso di calore meridionale (v′T′, un proxy per l’attività ondulatoria planetaria) a 100 hPa e 10 hPa, sovrapposte al vento zonale a 60°N, con una scala da -50 a +50 K·m/s. Il v′T′ a 100 hPa mostra un aumento progressivo da inizio dicembre, con un picco intorno al 22 dicembre (+30-50 K·m/s), coincidente con lo spostamento iniziale del vortice verso l’Eurasia e precedendo l’inversione dei venti di circa 10 giorni, un pattern che indica un forcing troposferico bottom-up dominato da onde numero 1 e 2 amplificate da gradienti termici accentuati. A 10 hPa, il picco segue con un ritardo di 3-5 giorni, raggiungendo +20-40 K·m/s intorno al 2 gennaio, culminando nella divisione del vortice. La linea tratteggiata rappresenta il climatologico medio del periodo 2007-2019, evidenziando anomalie del 2019 superiori del 200-300% rispetto alla norma, un fattore che ha contribuito all’intensità dell’EPP-IE e al trasporto di NO. Questo flusso di calore elevato ha sostenuto una propagazione upward prolungata, con picchi multipli che hanno mantenuto il disturbo per oltre 40 giorni.

Il pannello (d) raffigura l’anomalia del flusso verticale di Eliassen-Palm (Fₚ, componente del flusso EP che misura il trasporto di momentum verticale), mediata tra 45°-75°N, con scala da -50 (blu, convergenza forte che decelera ū) a +50 m²/s² (rosso, divergenza che accelera ū). Prima dell’onset, si osserva un potenziamento dell’attività ondulatoria nella troposfera inferiore (sotto 300 hPa) tra il 4-13 dicembre (+10-20 m²/s²), seguito da un picco negativo stratosferico (-30-50 m²/s²) intorno al 23 dicembre, con un ritardo di 8 giorni, indicante una propagazione verticale che converge poleward e causa la decelerazione del jet polare. Dopo l’inversione, Fₚ mostra una riduzione, con una divergenza troposferica residua (0-+10 m²/s²) che suggerisce una fase di recupero con feedback downward. Questo pattern è coerente con un SSW assorbente, dove la convergenza EP nella stratosfera media ha amplificato il riscaldamento e facilitato il trasporto di specie come NO, differenziandosi dal 2018 che ha mostrato una dinamica più tranquilla senza stratopausa elevata. L’area tratteggiata evidenzia il periodo critico, illustrando la pulsazione dell’attività ondulatoria.

Il pannello (e) consiste in un diagramma a barre che indica la presenza e l’intensità di blocchi atmosferici sul Pacifico settentrionale (NP, barra superiore) ed Euro-Atlantico (EA, barra inferiore) lungo l’intero periodo. Il blocco EA è prominente da fine dicembre a metà gennaio, con picchi intensi (rosso scuro) intorno al 2-11 gennaio, coincidente con l’inversione dei venti e l’anomalia positiva di geopotenziale a 500 hPa osservata nella Figura 4b. Questo blocco persistente, durato oltre due settimane, ha interrotto il flusso zonale troposferico, favorendo deviazioni delle tempeste e incursioni di aria artica fredda, come le nevicate record sulle Alpi nel gennaio 2019, legate a un pattern di alta pressione bloccante sull’Atlantico settentrionale amplificato dal segnale NAM negativo downward. Il blocco NP è meno pronunciato, riflettendo un focus euro-atlantico tipico di SSW split-type.

In sintesi, la Figura 5 documenta l’SSW del 2019 come un evento assorbente eccezionale, con un riscaldamento stratosferico profondo, inversione dei venti prolungata, e propagazione upward delle onde che ha innescato una divisione del vortice e impatti troposferici significativi, inclusi blocchi e anomalie chimiche come l’aumento di NO. Questi elementi sottolineano l’interconnessione tra stratosfera e troposfera, con implicazioni per la prevedibilità climatica sub-stagionale e la variabilità invernale, specialmente in contesti di forzature esterne come ENSO e QBO.

La Figura 6 fornisce un’analisi comparativa multidimensionale dell’evoluzione temporale e altitudinale dell’anomalia del componente verticale del flusso di Eliassen-Palm (F_p), un vettore diagnostico essenziale nella dinamica atmosferica che quantifica il trasporto verticale di momentum e energia associato alle onde planetarie (principalmente onde di Rossby) nella stratosfera, mediato tra le latitudini 45°-75°N, per otto eventi di Riscaldamento Stratosferico Improvviso (SSW) maggiori osservati nell’Emisfero Settentrionale tra il 2007 e il 2019. Questa rappresentazione consente un confronto diretto tra gli eventi, evidenziando differenze nella propagazione ondulatoria, nella classificazione degli SSW (assorbenti vs. riflettenti) e negli impatti troposferici, basati su rianalisi come quelle del NOAA Chemical Sciences Laboratory (CSL) o ERA-Interim, che documentano storicamente questi fenomeni. La figura è organizzata in colonne separate per ciascun evento (2007, 2008, 2009, 2010, 2013, 2016, 2018 e 2019, omettendo anni senza SSW maggiori come 2011, 2012, 2014, 2015 e 2017), con un intervallo temporale di ±30 giorni rispetto alla data centrale di ciascun SSW (ad esempio, 24 febbraio 2007 per il primo evento), permettendo di catturare fasi di preconditioning (preparazione del vortice), onset (inizio del riscaldamento), picco e recupero. L’asse verticale utilizza una scala logaritmica di pressione (da 10 hPa, corrispondente a circa 30-32 km nella media stratosfera, a 1000 hPa, livello troposferico superficiale), mentre l’asse orizzontale indica il tempo relativo, con etichette specifiche per le date assolute di ciascun anno (ad esempio, dal 7 febbraio al 4 marzo 2007 per l’evento del 2007). La scala cromatica spazia da blu scuro (-50 m² hPa s⁻², anomalie negative che indicano una forte convergenza del flusso EP, responsabile della decelerazione dei venti zonali e del riscaldamento adiabatico attraverso subsidenza compensativa) a rosso intenso (+50 m² hPa s⁻², anomalie positive che denotano divergenza, favorendo l’accelerazione dei venti), illustrando come le onde planetarie, generate da gradienti termici troposferici e amplificate da topografia o pattern oceanici come ENSO, penetrino la stratosfera critica layer (zona di venti zonali deboli che permette la propagazione verticale) e perturbino il jet polare notturno. Elementi diagnostici aggiuntivi includono regioni tratteggiate (hatching) che delimitano periodi di inversione dei venti zonali medi a 60°N e 10 hPa (venti negativi, un criterio standard della World Meteorological Organization per definire SSW maggiori, con temperature che possono aumentare di 30-50 K in pochi giorni), linee verticali tratteggiate che segnano l’inizio della fase di recupero (transizione da venti orientali a occidentali, spesso associata a una riforma del vortice polare), e lettere indicative come “D” (displacement, spostamento iniziale del vortice polare stratosferico – SPV – tipicamente dovuto a onde numero 1), “S” (split, divisione simmetrica del vortice in due o più lobi, dominata da onde numero 2) e “M” (minor SSW, un riscaldamento meno intenso senza inversione completa). I pannelli inferiori di ciascuna colonna raffigurano l’indice di blocco atmosferico per il Pacifico settentrionale (NP, in blu) e l’Euro-Atlantico (EA, in arancione), con blocchi pre-SSW ombreggiati in grigio per distinguere i pattern precursori (che possono amplificare l’attività ondulatoria bottom-up) da quelli post-evento (spesso legati a una coupling downward del segnale NAM negativo, favorendo ondate di freddo persistenti alle medie latitudini), evidenziando come i blocchi anticiclonici troposferici interrompano il flusso zonale e contribuiscano alla genesi o agli impatti degli SSW.

Per l’evento del 2007 (prima colonna, centrato intorno al 24 febbraio), l’anomalia F_p rivela un’intensificazione negativa moderata (-10 a -20 m² hPa s⁻²) principalmente nella stratosfera inferiore (100-300 hPa, circa 12-16 km), poco prima dell’onset, con una propagazione upward limitata dalla troposfera e una durata breve dell’inversione (regione tratteggiata ristretta a circa 10-15 giorni), classificando questo come un SSW riflettente secondo Kodera et al. (2016), dove le onde planetarie sono parzialmente riflesse indietro verso la troposfera senza un assorbimento completo poleward, risultando in effetti transitori e una minore propagazione downward del segnale. Il blocco sul Pacifico settentrionale emerge post-recupero, mentre quello Euro-Atlantico rimane debole, coerente con impatti troposferici limitati a regioni pacifiche. Similmente, nel 2008 (centrato sul 22 febbraio), l’attività ondulatoria è meno pronunciata, con anomalie negative concentrate nella stratosfera media (50-100 hPa) e un recupero rapido (linea tratteggiata precoce), influenzato da una fase occidentale della QBO che ha inibito la propagazione verticale delle onde, portando a un SSW riflettente con un rafforzamento del TIL (Tropopause Inversion Layer) debole e ritardato a fine marzo durante un SSW finale.

L’evento del 2009 (centrato sul 24 gennaio) esibisce il segnale più forte di anomalia negativa F_p (-30 a -50 m² hPa s⁻²) nella stratosfera prima della split (“S”), con una propagazione upward estesa e continua dalla troposfera inferiore (sotto 300 hPa) per circa 38 giorni e un’inversione prolungata (hatching ampio, oltre 20 giorni), rendendolo uno degli SSW più intensi del periodo, caratterizzato da una predominanza record di onde numero 2 che hanno causato una divisione simmetrica del vortice e un riscaldamento estremo (fino a +50 K), con impatti chimici significativi come una deplezione di ozono artico del 40-50% dovuta a un trasporto discendente accelerato di aria ricca di NO e un potenziamento marcato del TIL polare post-evento. Il blocco Euro-Atlantico si attiva immediatamente post-onset, favorendo ondate di freddo in Europa e Nord America. Per il 2010 (centrato sul 24 gennaio), l’anomalia F_p mostra picchi negativi multipli nelle due settimane pre-inversione, coincidente con displacement (“D”) e split (“S”), con una propagazione continua per circa 40 giorni sotto condizioni di El Niño moderato che ha amplificato le onde numero 1, risultando in un SSW assorbente con effetti prolungati sulla circolazione Brewer-Dobson e un blocco Euro-Atlantico immediato post-recupero.

Nell’evento del 2013 (centrato sul 6 gennaio), le anomalie F_p negative sono marcate durante il displacement e split, con un’inversione duratura (oltre 25 giorni) e un potenziamento del TIL vicino ai 300 hPa post-evento, confermando impatti forti sull’UTLS e una classificazione assorbente, influenzata da una fase orientale della QBO che ha facilitato l’assorbimento ondulatorio. Nel 2016 (centrato sul 5 marzo), si registra un’intensificazione F_p a fine gennaio durante un minor SSW (“M”), seguito da un maggiore finale con split, che ha disperso l’aria del vortice e terminato la perdita chimica di ozono, con blocchi Euro-Atlantici persistenti e un effetto downward sul pattern AO negativo, portando a temperature superficiali più fredde in Eurasia.

Per il 2018 (centrato sul 12 febbraio), tre episodi pulsanti di anomalia F_p negativa si susseguono a intervalli di circa due settimane, con il terzo più forte (verticalmente continuo sopra i 100 hPa) che innesca la split sotto condizioni di La Niña e QBO occidentale, portando a un trasporto discendente di NO senza una stratopausa elevata marcata, e blocchi Euro-Atlantici durante e post-inversione, con impatti su cicloni extratropicali e precipitazioni. Infine, nel 2019 (centrato sul 2 gennaio), l’anomalia F_p evidenzia un potenziamento troposferico pre-onset (4-13 dicembre) seguito da picchi negativi stratosferici durante displacement (“D”) e split (“S”), con un’inversione prolungata e un blocco Euro-Atlantico coincidente, rendendolo un caso studio per effetti EPP-IE (aumento di NO superiore a 50 volte il climatologico) e prevedibilità sub-stagionale superiore a 18 giorni, influenzato da El Niño moderato, QBO orientale e fasi 4-6 del Madden-Julian Oscillation.

In sintesi, la Figura 6 sottolinea come gli SSW dal 2009 al 2019 siano prevalentemente assorbenti con propagazione ondulatoria prolungata, assorbimento poleward dell’energia e blocchi Euro-Atlantici post-onset, in contrasto con i riflettenti del 2007-2008 che mostrano segnali più deboli e impatti transitori, evidenziando l’influenza di teleconnessioni come QBO, ENSO e attività ondulatoria pre-evento sulla variabilità degli SSW, con implicazioni per la modellistica climatica, la previsione di eventi estremi invernali e la chimica atmosferica in un contesto di cambiamenti climatici che potrebbero aumentare la frequenza di questi fenomeni.

Eventi di Riscaldamento Stratosferico Improvviso: Caratteristiche Dinamiche e Legami con i Blocking Atmosferici

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I riscaldamenti stratosferici improvvisi (SSW, dall’inglese Sudden Stratospheric Warmings) rappresentano fenomeni dinamici impressionanti nell’atmosfera terrestre, caratterizzati da rapidi e significativi aumenti di temperatura nella stratosfera polare durante l’inverno boreale. Questi eventi coinvolgono tipicamente un indebolimento o un’inversione dei venti zonali occidentali nel vortice polare stratosferico (SPV), che normalmente circonda il polo in un flusso circolare forte e freddo. L’SPV è una struttura chiave della circolazione stratosferica invernale, formata da venti forti che isolano l’aria polare fredda, ma durante un SSW, questa struttura può essere perturbata da onde planetarie ascendenti provenienti dalla troposfera sottostante. Tali perturbazioni portano a un riscaldamento adiabatico dovuto alla compressione dell’aria discendente, con incrementi termici che possono superare i 50 gradi Kelvin in pochi giorni a livelli intorno ai 10 hPa.

Dal punto di vista osservativo, gli SSW sono stati studiati utilizzando una varietà di dataset, inclusi radiosondaggi GNSS RO (Global Navigation Satellite System Radio Occultation), che offrono profili verticali ad alta risoluzione di temperatura, altezza geopotenziale e venti geostrofici. Questi dati permettono di catturare le caratteristiche sinottiche e dinamiche degli eventi, rivelando come il coupling tra stratosfera e troposfera giochi un ruolo cruciale. Ad esempio, tra il 2007 e il 2019, sono stati analizzati otto eventi SSW principali, inclusi displacement, split e tipi misti, utilizzando tali osservazioni per derivare flussi di Eliassen-Palm (EP) quasi-geostrofici, che quantificano il trasporto di momento e calore da parte delle onde.

La classificazione degli SSW si basa principalmente sulla geometria del vortice polare durante la fase matura dell’evento. Negli eventi di displacement, il vortice polare viene spostato dal suo centro polare verso regioni eurasiatiche o nordamericane, spesso a causa di un’onda planetaria di numero d’onda 1 dominante. Al contrario, gli eventi di split vedono il vortice dividersi in due o più lobi separati, tipicamente influenzati da onde di numero d’onda 2. Eventi misti combinano elementi di entrambi, con un’evoluzione che inizia come displacement e progredisce verso uno split. Esempi includono gli SSW del 2007 e 2008 come displacement, del 2009 e 2018 come split, e del 2010, 2013, 2016 e 2019 come misti. Questa categorizzazione aiuta a comprendere come diverse configurazioni troposferiche precedano questi eventi, con anomalie di pressione alta in regioni specifiche come l’Alaska o gli Urali che favoriscono l’amplificazione delle onde ascendenti.

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Un’altra classificazione si concentra sulla propagazione dell’attività ondulatoria durante la fase di recupero, distinguendo tra eventi riflettenti e assorbenti. Negli eventi riflettenti, come quelli del 2007 e 2008, si osserva una breve inversione dei venti zonali (ureversal) seguita da una propagazione discendente dei flussi EP, che induce configurazioni troposferiche specifiche. L’analisi dei flussi Plumb tridimensionali rivela pacchetti d’onda discendenti che creano troughs (depressioni) sull’est del Canada e ridges (creste) sul Pacifico settentrionale, promuovendo blocking in quella regione. Invece, gli eventi assorbenti, dal 2009 al 2019, mostrano un’ureversal più prolungata con propagazione ascendente dei flussi EP, associata a blocking euro-atlantico e pattern simili a un’Oscillazione Artica negativa (AO-). In questi casi, l’attività ondulatoria dal blocking atlantico si propaga verso l’alto, contribuendo all’ulteriore indebolimento del vortice.

I legami tra SSW e eventi di blocking troposferico sono supportati da analisi statistiche che esaminano le associazioni tra questi fenomeni. Gli SSW sono spesso preceduti da blocking in regioni come l’Euro-Atlantico o il Pacifico, dove anomalie di alta pressione persistenti amplificano le onde planetarie che perturbano la stratosfera. Ad esempio, blocking che coincidono con SSW mostrano flussi di calore eddy poleward significativamente maggiori nell’alta troposfera vicino all’onset del blocco rispetto a quelli senza SSW. Queste differenze indicano un coupling bidirezionale: i blocking possono innescare SSW attraverso onde ascendenti, mentre gli SSW possono rafforzare o prolungare i blocking attraverso feedback discendenti. Regionalmente, blocking sull’Europa e sull’Atlantico settentrionale tendono a essere più associati a SSW rispetto a quelli sul Pacifico, con un timing che vede i blocking precedere gli SSW di circa 5-10 giorni in media.

Eventi recenti illustrano queste dinamiche. Nel gennaio 2021, un SSW ha causato una disruption del vortice polare, con inversione dei venti e picchi termici, portando a impatti superficiali come temperature estreme in parti dell’Europa e del Nord America. Similmente, eventi nel 2023-2024 hanno mostrato precursor troposferici distinti, con anomalie che portano a evoluzioni diverse della circolazione, inclusi aumenti di ozono troposferico post-SSW sull’Artico e regioni adiacenti. Nel 2025, studi su due SSW maggiori in un inverno attivo hanno evidenziato un’onda 3 record nella troposfera prima dell’onset, sottolineando il ruolo delle onde multiple nella genesi degli eventi.

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Inoltre, gli SSW influenzano la circolazione media atmosferica, con effetti che si propagano verso la troposfera attraverso cambiamenti nel gradiente termico e nella forza del jet stream. In contesti riflettenti, la rapida ripresa del vortice limita gli impatti superficiali, mentre negli assorbenti, la persistenza dell’AO- favorisce pattern di tempo freddo e nevoso in regioni mid-latitudinali. Osservazioni da satelliti e reanalisi come ERA5 confermano che i dati RO catturano bene queste evoluzioni, anche se con possibili sottostime della velocità del vento geostrofico vicino al jet subtropicale.

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Studi comparativi rivelano anche variazioni emisferiche: mentre gli SSW boreali sono più frequenti (circa 6 per decennio), quelli australi sono rari e mostrano impatti diversi sulla circolazione media, con focus su come le onde ascendenti interagiscano con un vortice meridionale più stabile.

I riscaldamenti stratosferici improvvisi rappresentano fenomeni dinamici complessi nell’atmosfera terrestre, caratterizzati da aumenti rapidi e significativi della temperatura nella stratosfera polare durante l’inverno emisferico, con perturbazioni che possono indebolire o invertire i venti zonali occidentali nel vortice polare stratosferico, una struttura circolatoria fredda e intensa che isola l’aria polare.

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Questi eventi derivano principalmente da onde planetarie ascendenti originate nella troposfera, che causano compressione adiabatica e riscaldamento, con incrementi termici spesso superiori a 50 gradi Kelvin in pochi giorni a livelli pressori intorno ai 10 hPa. Le osservazioni da radiosondaggi GNSS RO forniscono profili verticali ad alta risoluzione di temperatura e altezza geopotenziale, permettendo di derivare venti geostrofici e flussi di Eliassen-Palm quasi-geostrofici, che quantificano il trasporto di momento e calore ondulatorio. Analisi di eventi tra il 2007 e il 2019 hanno identificato otto casi principali, classificati in base alla geometria del vortice: displacement, dove il vortice si sposta dal polo verso regioni eurasiatiche o nordamericane sotto l’influenza dominante di onde di numero 1; split, dove si divide in lobi multipli per onde di numero 2; e misti, che combinano entrambi gli elementi. Ad esempio, gli eventi del 2007 e 2008 sono stati displacement, quelli del 2009 e 2018 split, e i restanti misti, con precursor troposferici come anomalie di alta pressione sugli Urali o in Alaska che amplificano le onde ascendenti.

Un’ulteriore classificazione distingue eventi riflettenti e assorbenti basata sulla propagazione ondulatoria durante la fase di recupero: nei riflettenti, come quelli del 2007 e 2008, una breve inversione dei venti zonali è seguita da flussi discendenti che inducono configurazioni troposferiche specifiche, con flussi Plumb tridimensionali che generano depressioni sull’est del Canada e creste sul Pacifico settentrionale, favorendo blocking in quella regione.

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Negli assorbenti, dal 2009 al 2019, l’inversione è prolungata con propagazione ascendente, associata a blocking euro-atlantico e pattern simili a un’oscillazione artica negativa, dove l’attività ondulatoria dal blocking atlantico si propaga verso l’alto, indebolendo ulteriormente il vortice. Tali dinamiche evidenziano un coupling bidirezionale tra stratosfera e troposfera, con blocking che precedono gli eventi di 5-10 giorni in regioni come l’Euro-Atlantico, mostrando flussi di calore eddy poleward maggiori nell’alta troposfera rispetto a blocking non associati.

Eventi recenti illustrano queste interazioni: nel 2024, due riscaldamenti consecutivi in luglio e agosto sull’Antartide hanno mostrato aumenti rapidi di 17 gradi Celsius, con propagazione ondulatoria che ha indebolito il vortice polare meridionale, un fenomeno raro nell’emisfero sud dove il vortice è generalmente più stabile. Nel marzo 2025, un riscaldamento ha terminato abruptamente il vortice polare boreale, causando disruption con temperature stratosferiche elevate e impatti superficiali come anomalie termiche estreme in Europa e Nord America. A fine settembre 2025, un altro evento sull’Antartide ha portato temperature 35 gradi Celsius sopra la media, indebolendo la circolazione del vortice meridionale e potenzialmente influenzando pattern meteorologici australi, con definizioni che variano per emisfero ma enfatizzano la scomparsa completa del vortice boreale. L’inverno 2023-2024 ha visto multiple riscaldamenti con dinamiche stratosferiche notevoli, mentre il 2024-2025 si è concluso presto con un finale interessante, inclusa un’onda 3 record nella troposfera prima dell’onset.

Questi fenomeni influenzano la circolazione media, propagandosi verso la troposfera attraverso cambiamenti nel gradiente termico e nel jet stream: nei riflettenti, la rapida ripresa limita gli effetti superficiali, mentre negli assorbenti, la persistenza di pattern negativi favorisce tempo freddo e nevoso alle medie latitudini.

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Osservazioni da reanalisi come ERA5 confermano che i dati RO catturano bene queste evoluzioni, nonostante possibili sottostime della velocità geostrofica vicino al jet subtropicale. Variazioni emisferiche emergono, con eventi boreali più frequenti (circa sei per decennio) rispetto a quelli australi, focalizzati su interazioni ondulatorie con un vortice meridionale più resiliente. Inoltre, analisi di anomalie di stabilità statica polare rivelano potenziamenti dello strato di inversione tropopausale post-evento, più marcati in casi come il 2009 e 2013, influenzando ulteriormente il coupling e la circolazione troposferica.

La Figura 7 fornisce una rappresentazione dettagliata e multidimensionale dell’evoluzione temporale e verticale delle anomalie nella stabilità statica atmosferica, quantificata attraverso la frequenza di Brunt-Väisälä, nota anche come frequenza di buoyancy, in una regione polare settentrionale specifica, ovvero tra le latitudini 75° e 90° N. Questa metrica è fondamentale in scienza atmosferica per valutare quanto l’atmosfera resista a spostamenti verticali dell’aria, come quelli indotti da convezione o perturbazioni ondulatorie: in un ambiente stabile, un parcel d’aria spostato verticalmente tende a oscillare intorno alla sua posizione di equilibrio con una frequenza caratteristica, promuovendo la formazione di onde di gravità interne che giocano un ruolo chiave nella dinamica stratosferica e troposferica. Valori positivi elevati indicano una forte stabilità, spesso associata a stratificazione termica dove l’aria più calda sovrasta quella più fredda, mentre valori negativi segnalano instabilità, potenzialmente leading a turbolenza o mixing verticale. In contesti come i riscaldamenti stratosferici improvvisi (SSW), queste anomalie riflettono i profondi cambiamenti nella struttura termica e dinamica dell’atmosfera, inclusi il riscaldamento adiabatico dovuto alla discesa di aria stratosferica e le interazioni con onde planetarie ascendenti dalla troposfera.

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Il grafico è strutturato in otto pannelli orizzontali, ciascuno corrispondente a un evento SSW verificatosi negli anni dal 2007 al 2019, con date specifiche indicate alla base di ogni colonna, come “07 Feb 04 Mar” per il 2007 o “19 Dec 13 Jan” per il 2019. L’asse verticale rappresenta i livelli di pressione atmosferica su una scala logaritmica, che va da circa 1000 hPa (vicino alla superficie terrestre, nella bassa troposfera) fino a 10 hPa (nella media stratosfera), permettendo di visualizzare le variazioni attraverso strati atmosferici distinti: la troposfera inferiore, la tropopausa intorno ai 100-200 hPa, e la stratosfera superiore. L’asse orizzontale copre un intervallo temporale di ±30 giorni rispetto alla data centrale dell’SSW, catturando le fasi di preconditioning pre-evento, l’onset del riscaldamento, e la fase di recupero post-evento. La scala cromatica a destra del grafico codifica l’intensità delle anomalie di N², con tonalità dal blu scuro (anomalie negative fino a -2.3 × 10⁻⁴ s⁻², indicanti ridotta stabilità o instabilità) al rosso intenso (anomalie positive fino a +2.3 × 10⁻⁴ s⁻², segnalanti maggiore stabilità), passando attraverso verdi e gialli per valori intermedi o vicini allo zero.

Un elemento chiave della figura sono le regioni tratteggiate, che delimitano i periodi in cui il vento zonale medio a 60° N e 10 hPa assume valori negativi, un segnale diagnostico dell’inversione del vortice polare stratosferico durante un SSW. Queste aree evidenziano il core dell’evento, dove il normale flusso occidentale si inverte in orientale, permettendo un maggiore mixing e propagazione di anomalie termiche. Ad esempio, nel pannello del 2009, una vasta zona tratteggiata centrale coincide con anomalie rosse intense nella stratosfera superiore, suggerendo un forte aumento della stabilità statica post-riscaldamento, mentre macchie blu nella troposfera inferiore indicano instabilità transitoria, potenzialmente legata a feedback discendenti che influenzano pattern meteorologici superficiali come ondate di freddo alle medie latitudini. Similmente, nel 2013, si osserva un pattern di anomalie positive marcate e persistenti, che si estendono verticalmente dalla stratosfera alla tropopausa, riflettendo un enhanced Tropopause Inversion Layer (TIL), uno strato di inversione termica alla tropopausa che amplifica la stabilità e modula il coupling tra stratosfera e troposfera, influenzando la propagazione di onde e il trasporto di massa.

researchgate.net

Pattern generali emergono confrontando i pannelli: negli eventi classificati come riflettenti, come quelli del 2007 e 2008, le anomalie positive sono più deboli e di durata inferiore, con una rapida transizione verso valori neutri o negativi durante la fase di recupero, indicando una minore persistenza dell’impatto discendente e una ripresa veloce del vortice polare. Al contrario, eventi assorbenti come il 2009, 2010, 2013 e 2019 mostrano anomalie positive più intense e prolungate, spesso associate a un cooling tropicale e ridotta stabilità statica nella stratosfera equatoriale, che può propagarsi attraverso meccanismi come l’Oscillazione Quasi-Biennale o pattern di teleconnessione globale. Queste differenze sottolineano come gli SSW non siano eventi omogenei: displacement events (ad esempio, 2007) tendono a mostrare anomalie concentrate in regioni specifiche, mentre split events (come 2009) esibiscono pattern più diffusi, con implicazioni per la prevedibilità meteorologica a scala stagionale, inclusi impatti su pattern come l’Oscillazione Artica negativa, che favorisce inverni più freddi in Eurasia e Nord America.

Dal punto di vista scientifico, questa figura illustra il ruolo critico della stabilità statica nelle dinamiche SSW, dove le onde planetarie ascendenti dalla troposfera perturbano la stratosfera, leading a compressione adiabatica e riscaldamento polare che altera i gradienti termici verticali. Le anomalie positive post-SSW, particolarmente evidenti nel TIL, agiscono come una barriera che modula il flusso discendente di momentum e calore, influenzando la circolazione troposferica e potenzialmente amplificando eventi estremi superficiali. Studi osservativi, basati su dataset come reanalisi ERA o radiosondaggi GNSS RO, confermano che tali anomalie sono più pronunciate in eventi assorbenti, dove la propagazione ondulatoria prolungata contribuisce a un maggiore indebolimento del vortice e a feedback bidirezionali con blocking troposferico. Inoltre, in contesti globali, anomalie simili sono osservate in SSW antartici, sebbene più rari, con effetti su pattern meridionali come il Southern Annular Mode.

sciencedirect.com

Complessivamente, la figura non solo cattura l’evoluzione dinamica di questi eventi ma evidenzia anche la loro rilevanza per la modellistica climatica, dove comprendere tali anomalie aiuta a migliorare le previsioni di impatti superficiali, dal tempo estremo alla variabilità ozonica.

La Figura A1 fornisce una rappresentazione multidimensionale e altamente dettagliata dell’evoluzione dell’evento di riscaldamento stratosferico improvviso (SSW) verificatosi nel 2007, un fenomeno atmosferico estremo che esemplifica il forte coupling dinamico tra stratosfera e troposfera, dove perturbazioni ondulatorie ascendenti dalla troposfera inferiore causano un rapido riscaldamento polare stratosferico, spesso superiore a 50 gradi Kelvin in pochi giorni, portando a un indebolimento o inversione dei venti zonali occidentali nel vortice polare stratosferico (SPV). Questo evento specifico, classificato come un displacement SSW, ha visto il vortice polare spostarsi dal suo asse polare verso regioni eurasiatiche, principalmente guidato da un’amplificazione dominante dell’onda planetaria di numero d’onda 1, originata da anomalie troposferiche persistenti come un blocking sull’Alaska o sugli Urali, che favoriscono l’iniezione di energia e momento angolare verso l’alto, alterando la circolazione stratosferica invernale boreale. L’analisi si concentra su tre fasi chiave: la preconditioning pre-spostamento (19-21 gennaio), lo spostamento attivo (23-25 febbraio) e il recupero (4-6 marzo), utilizzando mappe polari e sezioni meridionali per illustrare venti, anomalie di altezza geopotenziale e flussi di Eliassen-Palm (EP), che quantificano il trasporto meridionale di calore e momento da parte delle onde Rossby planetarie, rivelando meccanismi di propagazione e assorbimento ondulatorio. Nel contesto climatico più ampio, eventi come questo del 2007, studiati attraverso reanalisi come ERA-Interim o MERRA, dimostrano impatti discendenti prolungati sulla troposfera, inclusi pattern di teleconnessione che favoriscono ondate di freddo persistenti alle medie latitudini eurasiatiche e nordamericane, attraverso un rafforzamento dell’Oscillazione Artica negativa (AO-), con implicazioni per la prevedibilità stagionale e la modellistica globale.

gmao.gsfc.nasa.gov

GMAO – Sudden Stratospheric Warming Event

Il pannello (a) consiste in tre mappe polari proiezione stereografica centrate sull’emisfero settentrionale al livello isobarico di 50 hPa (approssimativamente 20-25 km di altitudine, nella bassa stratosfera), dove la colorazione in shading rappresenta la velocità del vento orizzontale (in metri al secondo), con una scala che va dal blu (venti deboli o negativi, indicanti inversione zonale) al rosso intenso (venti forti fino a 65 m/s, tipici di un vortice robusto), mentre le linee di contorno nere delineano l’altezza geopotenziale, un proxy per la struttura di pressione e la geometria del vortice, con valori più alti che indicano regioni anticicloniche. Nella mappa sinistra (fase pre-spostamento), il vortice appare come un anello simmetrico e compatto di venti zonali occidentali intensi intorno al polo, riflettendo una configurazione stabile dell’inverno boreale, dove il gradiente termico polare-equatoriale mantiene il jet stream stratosferico forte e isolato, prevenendo intrusioni di aria calda subtropicale. Durante la fase centrale (spostamento), la struttura si deforma marcatamente, con una riduzione drastica della velocità del vento al centro polare e un’estensione asimmetrica verso l’Eurasia orientale, evidenziando l’impatto delle onde planetarie che rompono la zonalità, causando un riscaldamento adiabatico attraverso la compressione discendente di aria stratosferica e un’inversione dei venti da occidentali a orientali, un segnale diagnostico chiave per gli SSW displacement. Nella mappa destra (recupero), il vortice inizia a ricostituirsi, con venti che riprendono intensità e simmetria, sebbene con residui di deformazione come lobi elongati, indicando una fase di ripresa che può estendersi per settimane, durante la quale anomalie discendenti propagano effetti verso la troposfera, influenzando pattern meteorologici superficiali come nevicate anomale o temperature estreme. Questo pattern evolutivo è coerente con climatologie storiche di SSW, che mostrano come displacement events, come quello del 2007, siano spesso preceduti da un burst di attività ondulatoria troposferica, con flussi di calore eddy poleward elevati che amplificano le perturbazioni stratosferiche, differenziandosi da split events dove onde di numero 2 dominano, portando a una biforcazione del vortice in due lobi principali.

climate.gov

Cooking up a stratospheric polar vortex disruption | NOAA Climate.gov

Nel pannello (b), le mappe polari analoghe sovrappongono anomalie di altezza geopotenziale a 500 hPa (shading in metri, con scala da -350 m blu per anomalie negative o cicloniche a +350 m rosso per positive o anticicloniche) a contorni di anomalie a 50 hPa, con una scatola nera che evidenzia la regione di blocking sul Pacifico settentrionale, un’area critica per i feedback troposferici. Prima dello spostamento (sinistra), le anomalie troposferiche sono relativamente moderate, con emergenti regioni di alta pressione sul Pacifico occidentale e Aleutine, che agiscono come precursor, favorendo la generazione di onde Rossby stazionarie che propagano energia verso la stratosfera, preconditionando il vortice per l’instabilità. Durante lo spostamento (centro), si manifesta un deepening pronunciato delle anomalie negative sull’est del Nord America e positive sul Pacifico, con il blocking nella scatola nera che si intensifica in un ridge persistente, contribuendo a un coupling bidirezionale dove l’SSW amplifica il blocking attraverso pacchetti d’onda discendenti, che a loro volta prolungano l’evento stratosferico e inducono pattern di tempo estremo superficiale, come siccità o inondazioni regionali. Nella fase di recupero (destra), le anomalie si attenuano gradualmente, ma persistono configurazioni residue simili a un AO- negativo, con alte pressioni sul polo e basse alle medie latitudini, che possono estendere gli impatti meteorologici per mesi, influenzando la variabilità climatica stagionale e la distribuzione dell’ozono stratosferico. Questo pannello sottolinea il ruolo dei blocking troposferici come trigger e amplificatori degli SSW, con studi comparativi che rivelano come eventi displacement come il 2007 siano più associati a blocking pacifici rispetto a quelli euro-atlantici tipici degli split events.

I pannelli (c) e (d) presentano sezioni meridionali zonali medie (da 40°N a 90°N sull’asse orizzontale, con asse verticale logaritmico di pressione da 1000 hPa troposferica a 10 hPa stratosferica), dove vettori neri indicano la direzione e l’intensità dei flussi EP (plottati ogni quinto livello per chiarezza, rappresentando propagazione ascendente o discendente di attività ondulatoria), sovrapposti a shading per divergenza EP in (c) (in metri al secondo al giorno, da -50 blu per divergenza o riflessione a +50 rosso per convergenza o assorbimento) e vento zonale in (d) (in metri al secondo, da -40 blu per venti orientali a +40 rosso per occidentali forti). Nel pannello (c), la fase pre-spostamento mostra vettori EP ascendenti moderati con divergenza limitata nella stratosfera inferiore, indicante una propagazione ondulatoria iniziale senza forte assorbimento; durante lo spostamento, una convergenza intensa nella media stratosfera segnala l’assorbimento di onde che decelera il vortice, causando l’inversione zonale e il riscaldamento polare; nel recupero, vettori discendenti con divergenza troposferica suggeriscono una riflessione parziale delle onde residue, che contribuisce alla formazione di blocking pacifico attraverso interazioni dinamiche discendenti.

nature.com

Distinct tropospheric anomalies during sudden stratospheric warming events accompanied by strong and weak Ural Ridge | npj Climate and Atmospheric Science

Nel pannello (d), il vento zonale pre-evento è dominato da forti occidentali stratosferici, riflettendo un vortice stabile; durante l’evento, si inverte in orientali nella stratosfera polare, un marker diagnostico per SSW maggiori; nel recupero, riprende gradualmente verso valori positivi, con persistenti anomalie che indicano una lenta ricostituzione del gradiente termico. Questi pattern confermano che l’SSW del 2007 è stato un evento riflettente, con una breve propagazione discendente post-inversione che induce configurazioni troposferiche specifiche, in linea con teorie su interazioni ondulatorie e climatologie che distinguono displacement da split events in termini di impatti superficiali e durata. Complessivamente, la figura non solo cattura le dinamiche interne dell’evento ma evidenzia il suo ruolo nel sistema climatico globale, con applicazioni in modellistica numerica come WACCM per simulare tali fenomeni e prevedere impatti su settori come l’agricoltura, l’energia e la salute pubblica, dove anomalie post-SSW possono amplificare eventi estremi.

severe-weather.eu

A rare Stratospheric Warming event has begun over the South Pole, with unusually strong anomalies now developing

La Figura A2 fornisce una rappresentazione multidimensionale e altamente dettagliata dell’evoluzione temporale e verticale di parametri atmosferici chiave durante l’evento di riscaldamento stratosferico improvviso (SSW) verificatosi nel 2007, un fenomeno atmosferico estremo che ha esemplificato il complesso coupling dinamico tra stratosfera e troposfera, dove perturbazioni ondulatorie ascendenti originate da anomalie troposferiche hanno causato un rapido riscaldamento polare stratosferico, con temperature che sono aumentate da circa 202 Kelvin in dicembre a 232 Kelvin entro fine febbraio a 60° N, segnato da tre eventi di riscaldamento minori in tarda dicembre, metà gennaio e inizio febbraio che hanno preconditionato il sistema per l’evento principale.

climate.gov

El Niño and the stratospheric polar vortex | NOAA Climate.gov

Questo SSW, centrato intorno al 24 febbraio 2007 e classificato come un displacement event, ha visto il vortice polare stratosferico (SPV) spostarsi dal suo asse centrale verso regioni eurasiatiche, principalmente guidato da un’amplificazione dominante di onde Rossby planetarie di numero d’onda 1, originate da blocking persistenti sul Pacifico settentrionale che hanno iniettato energia e calore verso l’alto, alterando la circolazione invernale boreale e portando a un’inversione dei venti zonali da occidentali a orientali. Osservazioni da stazioni tropicali come Gadanki in India hanno rivelato una firma di coupling latitudinale, con anomalie termiche che si sono propagate anche verso latitudini più basse, influenzando la stratosfera tropicale e potenzialmente modulando pattern globali come l’Oscillazione Quasi-Biennale. L’analisi, basata su dataset come reanalisi ERA-Interim, copre un intervallo di ±30 giorni rispetto alla data centrale (dal 26 gennaio al 26 marzo), catturando fasi di preconditioning (anomalie troposferiche emergenti in gennaio), onset del riscaldamento (fine febbraio) e recupero (inizio marzo), con una scala verticale logaritmica di pressione da 1000 hPa (bassa troposfera) a 10 hPa (media stratosfera), che evidenzia il flusso bidirezionale di energia attraverso la tropopausa extratropicale, approssimata a 200 hPa. In un contesto climatologico più ampio, questo evento del 2007, parte di una serie di SSW nel periodo 2003/2004–2009/2010, ha dimostrato impatti discendenti prolungati sulla troposfera, inclusi pattern di teleconnessione che hanno amplificato ondate di freddo alle medie latitudini eurasiatiche e nordamericane attraverso un’Oscillazione Artica negativa persistente, con implicazioni per la variabilità atmosferica globale e la modellistica stagionale, come osservato in inverni simili con multipli riscaldamenti minori che culminano in un evento maggiore.

Il pannello (a) illustra l’evoluzione tempo-altezza dell’anomalia di temperatura ponderata per area, mediata su 65-90° N (regione polare artica), con shading cromatico che varia dal blu (anomalie negative fino a -30 Kelvin, indicanti raffreddamento relativo) al giallo-rosso (positive fino a +30 Kelvin, segnalanti riscaldamento intenso), e una linea tratteggiata orizzontale a 200 hPa che demarca approssimativamente la tropopausa extratropicale, separando gli strati troposferico e stratosferico. Prima dell’onset (da lag -30 a onset, circa 26 gennaio-23 febbraio), le anomalie sono prevalentemente negative o neutre nella stratosfera superiore, riflettendo un vortice polare freddo e stabile, con temperature medie intorno ai 202 Kelvin in dicembre che indicano una configurazione invernale tipica dove il gradiente termico polare-equatoriale mantiene l’isolamento dell’aria artica fredda. All’onset (marcato da una linea verticale tratteggiata), emerge un riscaldamento drammatico e rapido nella stratosfera superiore (10-100 hPa), con anomalie positive che si propagano discendentemente, raggiungendo la tropopausa e indicando la compressione adiabatica indotta dalla discesa di aria stratosferica perturbata dalle onde planetarie, un processo che nel 2007 ha portato a un incremento termico complessivo fino a 232 Kelvin entro fine febbraio, accompagnato da un downward progression di temperature calde e cooling mesosferici associati. Durante la fase di recupero (lag +0 a +30, 24 febbraio-26 marzo), le anomalie positive persistono ma si attenuano gradualmente, con una propagazione discendente che influenza la troposfera inferiore, potenzialmente amplificando pattern superficiali come temperature estreme in Eurasia o Nord America, dove studi su SSW simili hanno mostrato fluttuazioni termiche stratosferiche superiori a 50 gradi Celsius in giorni, con effetti che si estendono alla variabilità ionosferica e atmosferica globale.

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But what does a polar vortex breakdown look like down here? | NOAA Climate.gov

Le regioni tratteggiate delimitano periodi di vento zonale negativo a 60° N e 10 hPa, evidenziando l’inversione del vortice durante l’SSW, un segnale diagnostico per eventi maggiori che distinguono displacement da split events, con il 2007 che ha mostrato un downward impact meno persistente rispetto a SSW assorbenti.

Nel pannello (b), l’evoluzione del vento zonale a 60° N è raffigurata con shading da blu (venti orientali negativi fino a -60 metri al secondo) a rosso (occidentali positivi fino a +60 metri al secondo), catturando la transizione dal flusso zonale forte pre-evento (rosso intenso nella stratosfera, indicante un vortice robusto) a un’inversione pronunciata all’onset (blu profondo a 10-100 hPa), dove i venti occidentali si indeboliscono e invertono in orientali, un marker chiave per SSW che nel 2007 ha incluso un collasso parziale del vortice in tarda gennaio seguito da ulteriori indebolimenti in febbraio, con il completo reversal associato a un rallentamento drammatico dei venti da ovest a est. Durante il recupero, i venti riprendono gradualmente valori positivi, ma con anomalie negative persistenti che indicano una lenta ricostituzione del gradiente termico polare-equatoriale, influenzando la propagazione discendente di anomalie verso la troposfera e contribuendo a variabilità meteorologica estesa, come osservato in analisi che collegano tali inversioni a ondate di freddo superficiali attraverso meccanismi come l’Oscillazione Artica negativa e un aumento dell’attività delle onde di gravità durante l’evento. La linea tratteggiata verticale segna l’inizio della fase di recupero, quando l’anomalia termica polare (80-90° N) raggiunge il massimo, un timing critico per distinguere preconditioning da impatti post-evento, con il 2007 che ha mostrato una ripresa relativamente rapida tipica di eventi riflettenti.

Il pannello (c) confronta il flusso di calore meridionale eddy a 100 hPa mediato su 45-75° N (linea rossa solida, in Kelvin metri al secondo), con la sua climatologia giornaliera (linea rossa tratteggiata) e il vento zonale a 60° N e 10 hPa (linea blu solida, in metri al secondo), con shading grigio che copre il range minimo-massimo del flusso di calore per il periodo 2007-2019. Pre-onset, il flusso di calore esibisce un burst ascendente sopra la climatologia, indicante un’amplificazione di onde planetarie troposferiche che precedono l’SSW, con valori che superano i massimi storici e contribuiscono all’inversione zonale (linea blu che scende sotto zero), un pattern osservato nel 2007 con tre eventi di riscaldamento minori in dicembre-febbraio che hanno accumulato energia ondulatoria. All’onset, il picco del flusso coincide con l’inversione massima, riflettendo l’assorbimento di onde nella stratosfera che decelera il vortice, un processo che ha incluso un precursor stratopausico tropicale e coupling latitudinale rilevato da lidar in stazioni equatoriali. Post-onset, il flusso diminuisce, ma anomalie residue suggeriscono feedback discendenti, con il vento zonale che rimane negativo per periodi prolungati, influenzando la stabilità statica e la propagazione ondulatoria, con implicazioni per la ionosfera e la mesosfera dove si osservano cooling associati.

Nel pannello (d), l’anomalia del componente verticale del flusso Eliassen-Palm (Fp) mediata su 45-75° N è mostrata con shading da blu (anomalie negative fino a -50 metri quadri hPa al secondo quadrato, indicanti propagazione discendente) a giallo-rosso (positive fino a +50, ascendente), catturando il trasporto di momento e calore ondulatorio. Pre-onset, anomalie positive intense nella troposfera (sotto 200 hPa) indicano propagazione ascendente che intensifica nella stratosfera, con picchi all’onset che segnalano l’assorbimento di onde responsabile del riscaldamento e dell’inversione, un meccanismo che nel 2007 ha coinvolto un downward progression di anomalie termiche e un aumento dell’attività delle onde di gravità durante l’inverno boreale 2006/2007. Durante il recupero, si nota una transizione a anomalie negative nella stratosfera superiore, suggerendo riflessione e propagazione discendente verso la troposfera, un pattern tipico di SSW riflettenti come il 2007, che ha indotto blocking pacifico attraverso pacchetti d’onda discendenti, con etichette numeriche che evidenziano intensità locali e sottolineano il ruolo di questi flussi nel modulare il coupling atmosferico globale.

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And that’s a wrap on this season’s stratospheric polar vortex | NOAA Climate.gov

I pannelli (e) e (f) presentano indici di blocking temporali per il Pacifico settentrionale (NP, barra blu) e la regione euro-atlantica (E-A, barra rossa), su una scala da gennaio a marzo 2007, con valori positivi che indicano blocking attivo (alta pressione persistente che blocca il flusso zonale, spesso duraturo per giorni o settimane). Per NP (e), si osserva un’intensificazione post-onset (fine febbraio-inizio marzo), coerente con il feedback discendente dell’SSW che ha rafforzato ridge sul Pacifico, promuovendo configurazioni anticicloniche che prolungano impatti superficiali come anomalie termiche in Nord America, un pattern che distingue displacement events come questo da split events più associati a blocking atlantico. Per E-A (f), l’attività è più sporadica e meno intensa, con picchi pre-onset che fungono da precursor troposferici, ma un’attenuazione post-evento, evidenziando come i blocking euro-atlantici possano innescare SSW attraverso onde ascendenti, sebbene nel 2007 il dominio pacifico fosse prevalente. Complessivamente, la figura non solo cattura le dinamiche interne dell’evento ma sottolinea il suo ruolo nel sistema climatico globale, con applicazioni in modellistica come quella che definisce SSW in termini di reversal zonale e impatti su gravità onde, ozono stratosferico e prevedibilità stagionale, dove eventi rari come questo (circa sei per decennio) influenzano settori come l’agricoltura, l’energia e la salute pubblica attraverso estremi meteorologici amplificati.

Introduzione alla Figura A3 e al Contesto Scientifico dell’Evento SSW del 2009

La Figura A3 rappresenta un’analisi dettagliata dell’evoluzione di parametri atmosferici chiave durante l’evento di Sudden Stratospheric Warming (SSW) avvenuto nel gennaio 2009, uno dei più intensi e ben documentati della storia recente. Un SSW è un fenomeno meteorologico estremo che si verifica nella stratosfera polare invernale dell’emisfero nord, dove la temperatura aumenta rapidamente di decine di gradi in pochi giorni, portando a un indebolimento drammatico o persino alla divisione del vortice polare stratosferico (SPV). Questo vortice è una vasta circolazione ciclonica di venti freddi e forti che ruotano intorno al Polo Nord, mantenendo l’aria fredda confinata alle latitudini polari. L’evento del 2009 è classificato come un SSW “maggiore” di tipo “split” (divisione), guidato principalmente da un’onda planetaria di numero 2 – una perturbazione atmosferica su larga scala simile a un’onda Rossby – che ha causato la frammentazione del vortice in due lobi distinti. Secondo studi scientifici, come quelli basati sui dati della Japan Meteorological Agency (JMA) e osservazioni satellitari AIRS, il picco dell’evento si è verificato intorno al 24 gennaio 2009, con un riscaldamento stratosferico eccezionale che ha invertito i venti zonali (da ovest a est) e propagato effetti verso la troposfera inferiore, influenzando il clima globale per settimane.

La figura mostra dati mediati su periodi di 3 giorni per tre fasi critiche: prima della divisione (11-13 gennaio), durante la divisione (23-25 gennaio) e dopo (1-3 febbraio). I pannelli superiori (a e b) sono mappe polari centrate sul Polo Nord, che illustrano la distribuzione spaziale dei parametri, mentre i pannelli inferiori (c e d) sono sezioni meridionali che mostrano variazioni con la latitudine (da 40°N a 80°N) e l’altitudine (espressa in livelli di pressione, dalla stratosfera alta alla troposfera bassa). Un riquadro nero evidenzia la regione Euro-Atlantica, dove si sviluppa un “blocking” – un pattern persistente di alta pressione che blocca il flusso zonale e può causare anomalie meteorologiche estreme, come ondate di freddo persistenti in Europa e Nord America. Questo blocking è spesso una conseguenza downward dell’SSW, dove le perturbazioni stratosferiche si propagano verso il basso, alterando l’Oscillazione Artica (AO) e l’Oscillazione Nord Atlantica (NAO) verso fasi negative, favorendo intrusioni di aria artica alle latitudini medie.

L’evento del 2009 è stato unico per diversi motivi: si è verificato durante un minimo solare e geomagnetico, riducendo influenze esterne come l’attività solare, e ha stabilito record per l’intensità del riscaldamento (fino a 70 gradi Kelvin in alcuni strati) e per la durata degli effetti troposferici, che hanno persistito fino a febbraio-marzo. Osservazioni da satelliti come quelli della NASA hanno registrato cambiamenti di temperatura dalla tropopausa (il confine tra troposfera e stratosfera) fino alla stratosfera media, con implicazioni per la chimica atmosferica, come la ridistribuzione dell’ozono, e per il sistema ionosferico. Analizziamo ora ciascun pannello in modo dettagliato, focalizzandoci sui processi fisici coinvolti.

Pannello (a): Velocità del Vento a 50 hPa (Stratosfera Inferiore)

Questo pannello mostra mappe polari della velocità del vento (in metri al secondo) a un livello di pressione di 50 hPa, corrispondente approssimativamente a 20-25 km di altitudine nella stratosfera inferiore, dove il vortice polare è tipicamente più forte durante l’inverno. La colorazione va dal blu (velocità basse o negative, indicanti venti deboli o da est) al rosso (velocità alte da ovest, fino a 65 m/s), rappresentando il flusso zonale che circonda il polo.

• Fase pre-divisione (11-13 gennaio, sinistra): Il vortice polare appare come un anello compatto e simmetrico di venti intensi (rosso vivo), con un nucleo centrale freddo e stabile. Questo configura uno SPV robusto, dove i venti zonali forti isolano l’aria polare fredda, prevenendo scambi con le latitudini più basse. In questa fase iniziale, l’atmosfera è dominata da un pattern quasi stazionario, con minime perturbazioni da onde planetarie.
• Fase durante la divisione (23-25 gennaio, centro): Qui si osserva una deformazione ellittica del vortice, con l’anello rosso che si allunga e si piega, formando una struttura a “fagiolo” o a due lobi incipienti. Aree blu emergono al centro, segnalando un rallentamento e un’inversione locale dei venti. Questo è il risultato dell’interazione con un’onda planetaria di numero 2, che amplifica le asimmetrie e comprime il vortice, portando al suo split. Studi sull’evento del 2009 indicano che questa onda ha origine da anomalie troposferiche, come blocking preesistenti sull’Atlantico, che hanno amplificato l’energia verso l’alto.
• Fase post-divisione (1-3 febbraio, destra): Il vortice si è completamente diviso in due vortici figli separati, ciascuno con venti forti concentrati in regioni distinte (ad esempio, uno sul Canada e uno sulla Siberia). Le aree blu dominano il polo, indicando un collasso quasi totale del flusso zonale originale. Questo split ha permesso una ridistribuzione dell’aria calda dalle latitudini medie verso il polo, elevando le temperature stratosferiche e riducendo il gradiente termico che sostiene il vortice.

Scientificamente, questo pannello illustra come gli SSW di tipo split (a differenza di quelli di “displacement”, dove il vortice si sposta), siano associati a onde planetarie di ampiezza elevata, che rompono la simmetria ciclonica e favoriscono una propagazione più efficiente degli effetti verso la troposfera.

Pannello (b): Anomalia dell’Altezza Geopotenziale a 500 hPa (Troposfera Media)

Queste mappe polari rappresentano le anomalie dell’altezza geopotenziale (in metri) a 500 hPa, circa 5-6 km di altitudine nella troposfera media, un livello chiave per analizzare i pattern meteorologici sinottici. L’altezza geopotenziale misura essenzialmente l’altitudine a cui si trova un dato livello di pressione; anomalie positive (rosso, fino a 350 m) indicano alta pressione e aria più calda/sottile, mentre negative (blu) indicano bassa pressione e aria più fredda/densa.

• Fase pre-divisione (sinistra): Anomalie moderate, con un vortice troposferico simmetrico e aree rosse periferiche che suggeriscono blocking incipienti. Il riquadro nero sull’Euro-Atlantico evidenzia una regione dove l’alta pressione inizia a rafforzarsi, potenzialmente legata a flussi d’aria meridionali.
• Fase durante la divisione (centro): Aumentano le anomalie negative al centro (blu intenso), con deformazioni che rispecchiano quelle stratosferiche. Questo indica una propagazione downward dell’SSW, dove il riscaldamento stratosferico altera il gradiente di pressione, indebolendo il jet stream troposferico.
• Fase post-divisione (destra): Forte anomalia negativa a forma di “V” o triangolare sul polo, con anomalie positive (rosso) che si espandono nelle regioni mid-latitude, rafforzando il blocking Euro-Atlantico. Questo pattern ha contribuito a un NAO negativo persistente, favorendo intrusioni di aria fredda in Europa occidentale e Nord America orientale durante febbraio 2009.

Dal punto di vista scientifico, queste anomalie dimostrano il coupling stratosfera-troposfera: l’SSW del 2009 ha amplificato il blocking, che a sua volta ha retroagito rafforzando l’onda planetaria, creando un feedback positivo che ha prolungato gli effetti climatici.

Pannello (c): Flusso Eliassen-Palm (EP) vs. Latitudine e Altitudine

Questi grafici sono sezioni meridionali che mostrano il flusso Eliassen-Palm (EP), una misura diagnostica dell’attività delle onde planetarie che trasportano momento angolare e calore dalla troposfera alla stratosfera. La scala va dal blu (flusso divergente/negativo, che decelera i venti zonali) al rosso (flusso convergente/positivo, fino a 50 unità), con l’asse verticale in scala logaritmica di pressione (da 10 hPa in alto a 1000 hPa in basso).

• Fase pre-divisione (sinistra): Flusso debole e disperso, con aree blu a latitudini medie, indicanti un’attività ondulatoria minima. Questo riflette una stratosfera stabile, con poca propagazione verticale.
• Fase durante la divisione (centro): Intenso flusso positivo (rosso) verso l’alto, specialmente tra 50-100 hPa e 60-80°N, segnalando un’onda planetaria forte che inietta energia nel vortice, causandone il riscaldamento e la divisione. L’evento del 2009 ha mostrato un picco di flusso EP record, legato a un’onda di numero 2.
• Fase post-divisione (destra): Il flusso si riduce, con divergenze blu che indicano una dissipazione dell’energia, permettendo una lenta ricostruzione del vortice.

Scientificamente, il flusso EP è cruciale per diagnosticare gli SSW: la sua convergenza in stratosfera causa la decelerazione dei venti, rompendo l’equilibrio radiativo e termico.

Pannello (d): Velocità del Vento Zonale (u) vs. Latitudine e Altitudine

Simili sezioni meridionali per la componente zonale del vento (u, in m/s), con colori dal blu (venti da est, negativi) al rosso (venti da ovest, positivi, fino a 40 m/s).

• Fase pre-divisione (sinistra): Venti zonali forti e positivi (rosso) nella stratosfera polare, sostenendo il vortice freddo.
• Fase durante la divisione (centro): Inversione dei venti a negativi (blu) nella stratosfera alta (10-50 hPa), un criterio definitorio per SSW maggiore. Questo reversal è stato estremo nel 2009, raggiungendo -30 m/s o più.
• Fase post-divisione (destra): Venti negativi persistono e si propagano downward verso la troposfera (500-1000 hPa), alterando il jet stream e favorendo anomalie fredde.

Questo pannello evidenzia l’inversione dei venti come segnale primario dell’SSW, con effetti che durano 60-90 giorni.

Significato Complessivo e Implicazioni Scientifiche

La Figura A3 cattura l’essenza dinamica dell’SSW 2009, mostrando come un disturbo stratosferico iniziale – amplificato da onde planetarie originate da blocking troposferici – porti a una cascata di effetti: divisione del vortice, propagazione downward e alterazioni climatiche persistenti. Questo evento ha fornito insights preziosi per la modellistica atmosferica, dimostrando come gli SSW possano prevedere ondate di freddo con 2-4 settimane di anticipo, e ha influenzato ricerche sulla variabilità climatica, inclusi legami con il cambiamento climatico che potrebbe aumentare la frequenza di tali eventi. In sintesi, illustra il complesso interplay tra stratosfera e troposfera, con ripercussioni globali sul tempo e sul clima.

Introduzione alla Figura A4 e Contesto Scientifico dell’Evento SSW del 2009 nello Studio

La Figura A4, tratta dallo studio “Observational perspective on sudden stratospheric warmings and blocking from Eliassen–Palm fluxes” di Kamilya Yessimbet e collaboratori (pubblicato su Atmospheric Chemistry and Physics il 27 settembre 2024), fornisce un’analisi temporale dettagliata dell’evoluzione dell’evento di Sudden Stratospheric Warming (SSW) del 2009. Questo studio esamina otto eventi SSW maggiori boreali tra il 2007 e il 2019, utilizzando dati osservazionali da rianalisi ERA5 per indagare il coupling verticale tra stratosfera e troposfera, con un focus sul ruolo dei flussi Eliassen-Palm (EP) come misura diagnostica dell’attività delle onde planetarie. Gli autori classificano gli SSW in base al loro impatto sul vortice polare stratosferico (SPV), distinguendo tra eventi “assorbenti” (come il 2009), caratterizzati da una prolungata inversione dei venti zonali, propagazione verso l’alto dei flussi EP e formazione di blocking Euro-Atlantico durante la fase di recupero, e eventi “riflettenti” (come quelli del 2007 e 2008), con propagazione verso il basso delle onde e blocking sul Pacifico Settentrionale.

L’SSW del 2009 è descritto come un evento “maggiore” di tipo “split”, dove il SPV si frammenta in vortici figli, guidato principalmente da un’onda planetaria di numero 2 amplificata da anomalie troposferiche preesistenti. L’evento ha raggiunto il suo picco il 24 gennaio 2009, con un riscaldamento stratosferico eccezionale (fino a oltre 30 K di anomalia termica) e una durata prolungata degli effetti, inclusa una fase di recupero che ha influenzato il clima superficiale per oltre 60 giorni. Lo studio sottolinea come questo SSW sia stato “assorbente”, con un’attività ondulatoria graduale e prolungata che ha portato a un rafforzamento della tropopausa polare inversion layer (TIL), confermando osservazioni precedenti da satelliti GPS-RO e rianalisi. La figura copre un intervallo di ±30 giorni dal picco (dal 25 dicembre 2008 al 23 febbraio 2009), con regioni tratteggiate che indicano l’inversione dei venti zonali a 10 hPa e 60°N (quando diventano negativi, segnalando il collasso del vortice), e una linea verticale tratteggiata che marca il giorno del massimo riscaldamento polare (80-90°N), ovvero l’inizio della fase di recupero dell’SSW. Una linea orizzontale tratteggiata indica il livello approssimativo della tropopausa extratropicale (200 hPa). I pannelli illustrano l’evoluzione tempo-altezza di parametri chiave, evidenziando il trasporto di calore e momento angolare, e collegando l’SSW a pattern di blocking troposferici. Analizziamo ciascun pannello in dettaglio, integrando gli insights dallo studio.

Pannello (a): Evoluzione Tempo-Altezza dell’Anomalia di Temperatura Media Ponderata per Area su 65-90°N

Questo pannello raffigura l’evoluzione temporale e verticale dell’anomalia di temperatura (in Kelvin) mediata sull’area polare (65-90°N), con una scala colore che va dal blu (anomalie fredde, fino a -30 K) al rosso (anomalie calde, fino a +30 K). Lo studio spiega che questo parametro cattura il riscaldamento stratosferico caratteristico degli SSW, risultante dall’assorbimento di energia dalle onde planetarie che comprimono l’aria polare e riducono il gradiente termico.

• 30 Giorni Prima (Lag-30): Le anomalie sono deboli e prevalentemente negative o neutre nella stratosfera alta (10-50 hPa), riflettendo una stratosfera fredda e stabile con un SPV intatto. Gli autori notano che in questa fase pre-SSW, non ci sono segni evidenti di perturbazioni significative, coerenti con un’attività ondulatoria minima.
• Al Picco (Onset): Emerge un’intensa area rossa nella stratosfera superiore (10-30 hPa), indicando un riscaldamento anomalo di oltre 20-30 K, che segna il culmine dell’SSW. Questo riscaldamento è attribuito a una propagazione graduale e prolungata delle onde, che ha durato 38 giorni prima del split del vortice, come evidenziato dalle osservazioni ERA5.
• 30 Giorni Dopo (Lag+30): Il calore si propaga verso il basso, raggiungendo la troposfera (100-500 hPa) con anomalie positive persistenti (giallo-arancione). Lo studio collega questa discesa al rafforzamento della TIL polare, che ha implicazioni per la stabilità atmosferica e la chimica dell’ozono, confermando studi precedenti come quelli di Wargan e Coy (2016) sul ruolo degli SSW nel modificare la tropopausa.

Scientificamente, questo pannello dimostra come l’SSW del 2009 abbia innescato un coupling downward, con effetti che si estendono alla superficie, favorendo anomalie climatiche come ondate di freddo alle latitudini medie.

Pannello (b): Evoluzione Tempo-Altezza del Vento Zonale a 60°N

Qui è mostrata l’evoluzione del vento zonale medio (in m/s) a 60°N, con colori dal blu (venti orientali negativi, fino a -60 m/s) al rosso (venti occidentali positivi, fino a +60 m/s). Gli autori usano questo parametro per diagnosticare l’indebolimento del SPV, dove l’inversione dei venti da positivi a negativi è un criterio standard per classificare un SSW come “maggiore”.

• Lag-30: Venti forti positivi (rosso, 40-50 m/s) dominano la stratosfera, indicando un vortice robusto e un flusso jet stream occidentale stabile, tipico dell’inverno boreale senza perturbazioni significative.
• Onset: Si verifica un’inversione marcata a negativi (blu intenso) nella stratosfera alta, con la regione tratteggiata che evidenzia la durata prolungata di questo reversal (fino a diverse settimane). Lo studio classifica questo come un tratto degli SSW assorbenti, dove l’inversione è graduale e persistente, legata a un’assorbimento continuo di momento angolare dalle onde.
• Lag+30: I venti negativi si estendono verso la troposfera inferiore, con un recupero lento verso valori positivi. Questo pattern è associato a una fase di recupero estesa, che ha contribuito a un’Oscillazione Artica (AO) negativa, favorendo blocking persistenti.

Questo pannello sottolinea il ruolo diagnostico del vento zonale nel tracciare la transizione da una stratosfera stabile a una perturbata, con implicazioni per la prevedibilità del tempo a scala sub-stagionale.

Pannello (c): Evoluzione Temporale del Flusso Meridionale di Calore Eddy a 100 hPa su 45-75°N, Confrontato con la Climatologia, e Vento Zonale Medio a 60°N e 10 hPa

Questa serie temporale mostra il flusso meridionale di calore eddy (in K m/s) a 100 hPa mediato su 45-75°N (linea rossa solida), confrontato con la sua climatologia giornaliera (linea rossa tratteggiata) per il periodo 2007-2019, e include il vento zonale medio a 60°N e 10 hPa (linea blu solida). L’ombreggiatura grigia copre il range minimo-massimo del flusso di calore climatologico.

• Pre-Evento: Il flusso è moderato e allineato con la climatologia, con valori intorno a 0-20 K m/s, indicando un’attività ondulatoria di base senza anomalie.
• Vicino all’Onset: Picchi elevati (oltre 40-50 K m/s) precedono lo split del vortice, durando 38 giorni, come quantificato nello studio. Questo enhancement è legato a onde planetarie amplificate da blocking troposferici preesistenti.
• Post-Evento: Il flusso diminuisce gradualmente verso valori climatologici, con oscillazioni che riflettono una instabilità residua durante il recupero.

Gli autori enfatizzano che questo flusso è un proxy per il trasporto di calore verso il polo, cruciale per innescare l’SSW e distinguere eventi assorbenti da riflettenti.

Pannello (d): Evoluzione Tempo-Altezza dell’Anomalia della Componente Verticale del Flusso Eliassen-Palm su 45-75°N

Questa sezione mostra l’anomalia del flusso EP verticale (in m²/s²), con colori dal blu (anomalie negative/divergenti, fino a -50) al rosso (positive/convergenti, fino a +50). Lo studio usa i flussi EP per quantificare il trasporto di momento e energia dalle onde.

• Lag-30: Anomalie minime, con flusso debole che indica stabilità.
• Onset: Forte convergenza positiva (rosso) nella stratosfera (10-50 hPa), riflettendo la propagazione upward delle onde che causano il riscaldamento e lo split.
• Lag+30: Riduzione della convergenza, con divergenze blu che segnalano dissipazione, mentre gli effetti discendono verso la troposfera.

Questo pannello è centrale nello studio, dimostrando come i flussi EP upward caratterizzino gli SSW assorbenti come il 2009, contrastando con la downward reflection in eventi riflettenti.

Pannelli (e) e (f): Evoluzione Temporale degli Indici di Blocking per il Pacifico Settentrionale (NP) e l’Euro-Atlantico (E-A)

Questi pannelli presentano barre temporali degli indici di blocking per le regioni NP (e, blu) e E-A (f, arancione), misurati come anomalie di altezza geopotenziale che indicano alta pressione persistente.

• NP (e): Variazioni moderate senza picchi estremi, suggerendo un impatto limitato sul Pacifico durante l’SSW del 2009.
• E-A (f): Aumento significativo post-onset (intorno al 26 gennaio), seguito da un declino, indicando un blocking Euro-Atlantico rafforzato durante la fase di recupero, con configurazione simile a un’AO negativa.

Lo studio collega questo blocking all’SSW, notando che negli eventi assorbenti come il 2009, il blocking E-A si forma dopo lo split del SPV, influenzando il tempo europeo con anomalie fredde.

Significato Complessivo e Insights Scientifici Chiave

La Figura A4 illustra l’evoluzione dinamica dell’SSW 2009 come evento assorbente, con propagazione graduale delle onde, inversione prolungata dei venti e coupling downward che rafforza la TIL e induce blocking E-A. Gli autori evidenziano come questo evento, insieme al 2018, differisca da quelli riflettenti per la durata dell’attività ondulatoria (38 giorni di flusso di calore enhanced) e gli effetti troposferici persistenti, fornendo insights per la modellistica climatica e la previsione sub-stagionale. Il focus sui flussi EP offre una prospettiva osservazionale unica, confermando che gli SSW split come il 2009 amplificano il feedback stratosfera-troposfera, con implicazioni per la variabilità climatica e potenziali legami con il cambiamento globale.

Introduzione alla Figura A5 e Contesto Scientifico dell’Evento SSW del 2010 nello Studio

La Figura A5, estratta dallo studio “Observational perspective on sudden stratospheric warmings and blocking from Eliassen–Palm fluxes” di Kamilya Yessimbet e collaboratori (pubblicato su Atmospheric Chemistry and Physics il 27 settembre 2024), fornisce un’analisi spaziale e temporale dettagliata dell’evoluzione dell’evento di Sudden Stratospheric Warming (SSW) del 2010. Questo studio esamina otto eventi SSW maggiori boreali verificatisi tra il 2007 e il 2019, utilizzando dati osservazionali puri derivati dalla radio occultazione del Global Navigation Satellite System (GNSS-RO) per investigare il coupling verticale tra troposfera e stratosfera. Gli autori si concentrano sui flussi Eliassen-Palm (EP) come strumento diagnostico per quantificare l’attività delle onde planetarie, che trasportano momento angolare e calore dalla troposfera alla stratosfera, causando il riscaldamento improvviso e l’indebolimento del vortice polare stratosferico (SPV). Basandosi su osservazioni RO, lo studio classifica gli SSW in due tipi principali: “riflettenti” (come quelli del 2007 e 2008, caratterizzati da propagazione verso il basso delle onde, riflessione stratosferica e blocking sul Pacifico Settentrionale) e “assorbenti” (come gli eventi dal 2009 al 2019, inclusi 2009, 2010, 2013, 2016, 2018 e 2019, con propagazione verso l’alto prolungata, assorbimento in stratosfera e blocking Euro-Atlantico durante la fase di recupero).

L’SSW del 2010 è categorizzato come un evento “assorbente” di tipo misto, in cui il SPV subisce inizialmente uno spostamento (displacement) dal polo verso regioni eurasiatiche o nordamericane, seguito da una divisione (split) in vortici figli. Questo evento ha raggiunto il suo picco intorno all’8 febbraio 2010, con un riscaldamento stratosferico profondo e duraturo (anomalie termiche superiori a 20-30 K che si estendono fino a circa 200 hPa, il livello approssimativo della tropopausa extratropicale), un’inversione dei venti zonali persistente per diverse settimane e una propagazione downward degli effetti che ha rafforzato la tropopausa inversion layer (TIL) polare, aumentando la stabilità statica atmosferica. A differenza degli eventi riflettenti, che presentano un riscaldamento superficiale e breve (limitato alla stratosfera superiore), il 2010 SSW mostra un’attività ondulatoria graduale e prolungata (circa 40 giorni di flusso di calore eddy elevato e propagazione upward continua delle onde planetarie, principalmente di numero 1 e 2), amplificata da blocking troposferici preesistenti. Questo ha portato a un feedback positivo tra troposfera e stratosfera, con implicazioni per la chimica atmosferica (ad esempio, ridistribuzione dell’ozono) e la variabilità climatica, inclusa una fase negativa dell’Oscillazione Artica (AO) che ha favorito ondate di freddo persistenti in Europa e Nord America da fine febbraio a inizio marzo 2010. Lo studio evidenzia che il 2010 SSW, simile al 2009 e al 2018, differisce dagli eventi riflettenti per la durata estesa del reversal dei venti (diverse settimane contro pochi giorni) e per l’enhancement marcato della TIL, confermato da osservazioni RO che mostrano differenze minime (fino a 2 m/s nei venti zonali) rispetto alle reanalisi come ERA5. Inoltre, gli autori notano che questi eventi assorbenti sono associati a un picco multiplo e sovrapposto nel flusso meridionale di calore eddy, responsabile della propagazione upward continua, e a un blocking Euro-Atlantico che emerge poco dopo lo split dell’SPV, configurandosi in un pattern di alta pressione persistente con anomalie positive di altezza geopotenziale a 500 hPa.

La figura presenta dati mediati su periodi di 3 giorni per tre fasi chiave: durante lo spostamento dell’SPV (22-24 gennaio 2010), durante la divisione (7-9 febbraio 2010) e dopo la divisione (11-13 febbraio 2010). I pannelli superiori (a e b) sono mappe polari centrate sul Polo Nord, illustrando la distribuzione spaziale orizzontale dei parametri, mentre i pannelli inferiori (c e d) sono sezioni meridionali che mostrano variazioni verticali e latitudinali (da 40°N a 80°N, con asse verticale in scala logaritmica di pressione dalla stratosfera alta alla troposfera bassa). Un riquadro nero evidenzia la regione Euro-Atlantica, dove il blocking si intensifica post-split, bloccando il flusso zonale e favorendo intrusioni di aria artica alle latitudini medie. Confrontato con altri eventi, il 2010 SSW condivide tratti con il 2013 e il 2016 (anch’essi misti e assorbenti), come il riscaldamento profondo e il recupero lento, ma si distingue dal 2007 (riflettente) per l’assenza di riflessione downward delle onde e per un impatto troposferico più prolungato, fornendo preziosi insights per la modellistica numerica e la previsione sub-stagionale del tempo. Analizziamo ciascun pannello in dettaglio, integrando le insights scientifiche dallo studio sui processi fisici, come l’assorbimento di momento angolare e il ruolo delle onde planetarie.

Pannello (a): Velocità del Vento a 50 hPa con Contorni di Altezza Geopotenziale (Stratosfera Inferiore)

Questo pannello raffigura mappe polari della velocità del vento (shading in m/s) a 50 hPa (circa 20-25 km di altitudine nella stratosfera inferiore), sovrapposte ai contorni di altezza geopotenziale a 50 hPa. La scala colore va dal blu (velocità basse o negative, indicanti venti deboli o orientali) al rosso (velocità alte occidentali, fino a 65 m/s), rappresentando il flusso zonale che sostiene il SPV invernale.

• Fase di Spostamento (22-24 gennaio, sinistra): Il vortice appare asimmetrico e spostato dal polo, con un anello rosso deformato che si allunga verso l’Eurasia o il Nord America, riflettendo l’influenza iniziale di un’onda planetaria di numero 1 che perturba la simmetria ciclonica. Lo studio nota che questa fase è comune negli eventi misti assorbenti, dove lo spostamento prepara lo split attraverso un graduale accumulo di energia ondulatoria.
• Fase durante la Divisione (7-9 febbraio, centro): Il vortice si frammenta in due lobi distinti, con aree blu centrali che segnalano un rallentamento e inversione locale dei venti, causati dall’assorbimento continuo di momento angolare dalle onde. Questo split è attribuito a un picco multiplo nel flusso di calore eddy, durato circa 40 giorni, che ha amplificato la propagazione upward.
• Fase post-Divisione (11-13 febbraio, destra): I vortici figli sono separati, con venti forti periferici e un collasso polare (blu dominante), permettendo una ridistribuzione di aria calda dalle latitudini medie. Confrontato con eventi riflettenti come il 2007, qui l’assorbimento stratosferico prolunga il reversal, estendendo gli effetti downward.

Scientificamente, questo pannello illustra come gli SSW assorbenti come il 2010 favoriscano un coupling verticale più efficiente, con onde che non riflettono ma si dissipano in stratosfera, causando un riscaldamento profondo e persistente.

Pannello (b): Anomalia dell’Altezza Geopotenziale a 500 hPa con Contorni a 50 hPa (Troposfera Media)

Queste mappe polari mostrano l’anomalia di altezza geopotenziale (shading in metri) a 500 hPa (circa 5-6 km nella troposfera media), con contorni di anomalia a 50 hPa. Anomalie positive (rosso, fino a 350 m) indicano alta pressione e aria calda, mentre negative (blu) indicano bassa pressione e aria fredda.

• Fase di Spostamento (sinistra): Anomalie moderate con un vortice troposferico asimmetrico; il riquadro nero evidenzia un blocking Euro-Atlantico incipiente, con alte pressioni che iniziano a formarsi, amplificando l’attività ondulatoria upward.
• Fase durante la Divisione (centro): Anomalie negative intense al polo (blu), con deformazioni che rispecchiano lo split stratosferico, segnalando una propagazione downward che indebolisce il jet stream troposferico.
• Fase post-Divisione (destra): Anomalia negativa polare forte, con positive espanse nelle mid-latitude, rafforzando il blocking Euro-Atlantico in un pattern simile a un’AO negativa. Lo studio osserva che questo blocking emerge poco dopo lo split negli eventi assorbenti, contrastando con il blocking Pacifico nei riflettenti.

Questo pannello dimostra il feedback troposfera-stratosfera: il blocking preesistente amplifica le onde, mentre l’SSW lo rafforza durante il recupero, prolungando anomalie climatiche.

Pannello (c): Flussi Eliassen-Palm e Divergenza vs. Latitudine e Altitudine

Queste sezioni meridionali mostrano i vettori del flusso EP (frecce) e la sua divergenza (shading), misurando il trasporto di momento e calore dalle onde. La scala va dal blu (divergenza negativa, decelerazione dei venti) al rosso (convergenza positiva, fino a 50 unità), con vettori plottati ogni quinto livello.

• Fase di Spostamento (sinistra): Flusso upward debole ma crescente, con convergenza in stratosfera media (50-100 hPa, 60-80°N), indicante l’inizio di un’attività ondulatoria prolungata.
• Fase durante la Divisione (centro): Convergenza intensa (rosso) nella stratosfera alta (10-50 hPa), riflettendo onde che iniettano energia, causando lo split e l’assorbimento stratosferico tipico degli eventi assorbenti.
• Fase post-Divisione (destra): Riduzione della convergenza, con divergenze blu durante il recupero, mentre gli effetti discendono verso la troposfera, rafforzando la TIL.

Lo studio enfatizza che i flussi EP upward continui nel 2010 (zona di convergenza larga) distinguono gli assorbenti dai riflettenti, dove prevale la downward reflection.

Pannello (d): Velocità del Vento Zonale vs. Latitudine e Altitudine

Sezioni meridionali della componente zonale del vento (shading in m/s), con colori dal blu (venti orientali negativi, fino a -40 m/s) al rosso (occidentali positivi, fino a 40 m/s), e vettori EP sovrapposti.

• Fase di Spostamento (sinistra): Venti positivi forti in stratosfera, ma con asimmetrie polari incipienti dovute alle onde.
• Fase durante la Divisione (centro): Inversione a negativi nella stratosfera alta (10-50 hPa), segnale diagnostico di SSW maggiore, con vettori EP upward.
• Fase post-Divisione (destra): Venti negativi persistenti che discendono (fino a 200-500 hPa), con recupero lento e enhancement della TIL.

Questo pannello evidenzia il reversal prolungato (settimane), con effetti che raggiungono la superficie, aumentando la stabilità statica vicino a 300 hPa.

Significato Complessivo e Implicazioni Scientifiche

La Figura A5 cattura l’evoluzione mista e assorbente dell’SSW 2010, con propagazione upward graduale delle onde (40 giorni), split dell’SPV e coupling downward che rafforza la TIL e induce blocking E-A persistente, simile a un’AO negativa. Nello studio, il 2010 si allinea con eventi assorbenti come 2009 e 2018 per durata e intensità, differendo dai riflettenti per l’assorbimento stratosferico e l’impatto troposferico prolungato. Queste insights, basate su osservazioni RO pure, rivelano piccole discrepanze con reanalisi (es. 2 m/s nei venti), fornendo una prospettiva osservazionale unica per comprendere i pathway del coupling verticale, con applicazioni per la previsione del tempo sub-stagionale e studi sul cambiamento climatico, che potrebbe aumentare la frequenza di eventi assorbenti.

Introduzione alla Figura A6 e Contesto Scientifico dell’Evento SSW del 2010 nello Studio

La Figura A6, tratta dallo studio “Observational perspective on sudden stratospheric warmings and blocking from Eliassen–Palm fluxes” di Kamilya Yessimbet e collaboratori (pubblicato su Atmospheric Chemistry and Physics il 27 settembre 2024), fornisce un’analisi temporale approfondita e multidimensionale dell’evoluzione dell’evento di Sudden Stratospheric Warming (SSW) del 2010, utilizzando dati osservazionali puri derivati dalla radio occultazione del Global Navigation Satellite System (GNSS-RO). Questo studio esamina otto eventi SSW maggiori boreali verificatisi tra il 2007 e il 2019, con l’obiettivo di investigare il coupling verticale tra troposfera e stratosfera attraverso i flussi Eliassen-Palm (EP), che servono come strumento diagnostico per quantificare il trasporto di momento angolare e calore ad opera delle onde planetarie – perturbazioni atmosferiche su larga scala che originano nella troposfera e propagano energia verso la stratosfera, causando il riscaldamento improvviso e l’indebolimento del vortice polare stratosferico (SPV). Gli autori classificano gli SSW in due categorie principali basate sulla loro dinamica ondulatoria e sugli effetti troposferici: “riflettenti” (come quelli del 2007 e 2008, caratterizzati da una propagazione verso il basso delle onde, riflessione in stratosfera e formazione di blocking sul Pacifico Settentrionale durante la fase di recupero) e “assorbenti” (come gli eventi dal 2009 al 2019, inclusi 2009, 2010, 2013, 2016, 2018 e 2019, con una propagazione verso l’alto prolungata, assorbimento stratosferico e blocking Euro-Atlantico post-evento).

L’SSW del 2010 è categorizzato come un evento “assorbente” di tipo misto, in cui il SPV subisce inizialmente uno spostamento (displacement) dal polo verso regioni eurasiatiche o nordamericane, seguito da una divisione (split) in vortici figli, guidato principalmente da onde planetarie di numero 1 e 2 amplificate da anomalie troposferiche preesistenti, come blocking incipiente. Questo evento ha raggiunto il suo picco intorno all’8 febbraio 2010, con un riscaldamento stratosferico profondo e persistente (anomalie termiche superiori a 20-30 K che si estendono fino a circa 200 hPa, il livello approssimativo della tropopausa extratropicale), un’inversione dei venti zonali prolungata per diverse settimane e una propagazione downward degli effetti che ha rafforzato la tropopausa inversion layer (TIL) polare, aumentando la stabilità statica atmosferica vicino a 300 hPa. A differenza degli eventi riflettenti, che presentano un riscaldamento più superficiale e breve (limitato alla stratosfera superiore con riflessione delle onde verso la troposfera), il 2010 SSW mostra un’attività ondulatoria graduale e estesa (circa 40 giorni di flusso meridionale di calore eddy elevato, con picchi multipli e sovrapposti), che ha favorito un assorbimento continuo di momento angolare in stratosfera, creando un feedback positivo con la troposfera. Questo ha portato a una fase negativa dell’Oscillazione Artica (AO), favorendo un blocking Euro-Atlantico persistente che ha causato anomalie climatiche estreme, come ondate di freddo prolungate in Europa occidentale e Nord America orientale da fine febbraio a inizio marzo 2010, con implicazioni per la chimica atmosferica (ad esempio, alterazioni nella distribuzione dell’ozono stratosferico) e la variabilità climatica stagionale.

Lo studio sottolinea che il 2010 SSW, simile al 2009 e al 2018 tra gli assorbenti, si distingue per la sua evoluzione mista (displacement seguito da split), la durata estesa del reversal dei venti zonali (diverse settimane contro pochi giorni nei riflettenti) e un enhancement marcato della TIL, che ha aumentato la stabilità statica e la rifrazione delle onde residue. Queste caratteristiche sono confermate da osservazioni RO pure, che rivelano discrepanze minime (fino a 2 m/s nei venti zonali e 2 K nelle temperature) rispetto alle reanalisi come ERA5, fornendo una prospettiva osservazionale indipendente e affidabile. Inoltre, gli autori notano che negli eventi assorbenti come il 2010, il flusso meridionale di calore eddy presenta un picco multiplo preceduto da blocking troposferico, che amplifica la propagazione upward e prolunga la fase di recupero, con effetti che persistono per 60-90 giorni e influenzano pattern come l’Oscillazione Nord Atlantica (NAO). La figura copre un intervallo di ±30 giorni dal picco (dal 10 gennaio al 7 marzo 2010), suddiviso in tre periodi: 30 giorni prima (lag-30), il giorno centrale (onset), e 30 giorni dopo (lag+30). Le regioni tratteggiate indicano l’inversione dei venti zonali a 10 hPa e 60°N (quando diventano negativi, segnalando il collasso del SPV), una linea verticale tratteggiata marca il giorno del massimo riscaldamento polare (80-90°N, ovvero l’inizio della fase di recupero), e una linea orizzontale tratteggiata indica il livello della tropopausa extratropicale (200 hPa). I pannelli superiori (a e b) sono sezioni tempo-altezza che mostrano variazioni verticali, il pannello (c) è una serie temporale del flusso di calore e del vento zonale, il pannello (d) illustra anomalie dei flussi EP, e i pannelli (e e f) tracciano indici di blocking. Questa rappresentazione multidimensionale evidenzia il ruolo dei flussi EP nel distinguere i pathway dinamici degli SSW, fornendo insights per la modellistica climatica e la previsione sub-stagionale, specialmente in un contesto di cambiamento climatico che potrebbe aumentare la frequenza di eventi assorbenti. Analizziamo ciascun pannello in dettaglio, focalizzandoci sui processi fisici sottostanti e sulle differenze con altri eventi.

Pannello (a): Evoluzione Tempo-Altezza dell’Anomalia di Temperatura Media Ponderata per Area su 65-90°N

Questo pannello raffigura l’evoluzione temporale e verticale dell’anomalia di temperatura (in Kelvin) mediata sull’area polare (65-90°N), con una scala colore che va dal blu (anomalie fredde, fino a -30 K) al rosso (anomalie calde, fino a +30 K). Lo studio utilizza questo parametro per illustrare il riscaldamento stratosferico caratteristico degli SSW, risultante dall’assorbimento di energia dalle onde planetarie che comprimono l’aria polare, riducendo il gradiente termico meridionale e destabilizzando il SPV.

• Fase Pre-Evento (Lag-30, sinistra): Le anomalie sono deboli e prevalentemente negative o neutre nella stratosfera alta (10-50 hPa), riflettendo una stratosfera fredda e stabile con un SPV robusto. Gli autori osservano che in questa fase, un’attività ondulatoria incipiente, amplificata da blocking troposferico preesistente, inizia a emergere, preparando il terreno per il displacement iniziale del vortice.
• Fase al Picco (Onset, centro): Si manifesta un’intensa area rossa nella stratosfera superiore (10-30 hPa), indicando un riscaldamento anomalo di oltre 20-30 K, che segna il culmine dell’SSW. La regione tratteggiata evidenzia la durata del massimo riscaldamento polare, attribuita a una propagazione upward prolungata delle onde (circa 40 giorni), con un picco multiplo nel flusso di calore eddy che differenzia questo evento assorbente da quelli riflettenti, dove il riscaldamento è più superficiale e breve.
• Fase Post-Evento (Lag+30, destra): Il calore si propaga downward, raggiungendo la troposfera (100-500 hPa) con anomalie positive persistenti (giallo-arancione) che rafforzano la TIL polare. Lo studio collega questa discesa a un coupling verticale efficiente, con effetti che persistono per settimane e influenzano il clima superficiale, come ondate di freddo alle latitudini medie, in contrasto con la propagazione più rapida e meno profonda negli eventi riflettenti.

Scientificamente, questo pannello dimostra come l’SSW del 2010 abbia innescato un riscaldamento profondo e duraturo, con un enhancement della TIL che aumenta la stabilità statica e rifrange onde residue, fornendo un esempio paradigmatico di evento assorbente con implicazioni per la chimica dell’ozono e la variabilità climatica.

Pannello (b): Evoluzione Tempo-Altezza del Vento Zonale a 60°N

Qui è mostrata l’evoluzione del vento zonale medio (in m/s) a 60°N, con colori dal blu (venti orientali negativi, fino a -60 m/s) al rosso (occidentali positivi, fino a +60 m/s). Gli autori impiegano questo parametro per diagnosticare il collasso del SPV, dove l’inversione dei venti da positivi a negativi rappresenta un criterio chiave per classificare un SSW come “maggiore”.

• Lag-30 (sinistra): Venti forti positivi (rosso, intorno a 40-50 m/s) dominano la stratosfera, indicando un vortice robusto e un flusso jet stream occidentale stabile, tipico dell’inverno boreale prima delle perturbazioni ondulatorie.
• Onset (centro): Si verifica un’inversione drammatica a negativi (blu intenso) nella stratosfera alta, con la regione tratteggiata che sottolinea una durata prolungata (diverse settimane), legata all’assorbimento continuo di momento angolare dalle onde planetarie in un evento assorbente.
• Lag+30 (destra): I venti negativi si estendono verso la troposfera inferiore (500-1000 hPa), con un recupero graduale verso valori positivi. Questo pattern è associato a una fase di recupero estesa, che ha contribuito a un’AO negativa persistente e a blocking troposferici, differenziando dal recupero rapido negli eventi riflettenti.

Questo pannello evidenzia il ruolo del vento zonale nel tracciare la dinamica verticale, con un reversal esteso che prolunga gli effetti downward e rafforza la TIL, come quantificato dalle osservazioni RO.

Pannello (c): Evoluzione Temporale del Flusso Meridionale di Calore Eddy a 100 hPa su 45-75°N, Confrontato con la Climatologia, e Vento Zonale Medio a 60°N e 10 hPa

Questa serie temporale raffigura il flusso meridionale di calore eddy (in K m/s) a 100 hPa mediato su 45-75°N (linea rossa solida), confrontato con la climatologia giornaliera (linea rossa tratteggiata) per il 2007-2019, e include il vento zonale medio a 60°N e 10 hPa (linea blu solida). L’ombreggiatura grigia rappresenta il range climatologico.

• Pre-Evento: Il flusso è moderato e vicino alla climatologia (0-20 K m/s), con un aumento incipiente legato a blocking preesistente che amplifica le onde.
• Vicino all’Onset: Picchi elevati (oltre 40-50 K m/s) con pattern multiplo precedono lo split, durando circa 40 giorni, mentre il vento zonale (blu) si inverte a 10 hPa, segnalando il collasso del SPV.
• Post-Evento: Il flusso declina verso valori climatologici, con oscillazioni residue durante il recupero, mentre il vento zonale rimane negativo prima di un lento ritorno.

Gli autori enfatizzano che questo flusso multiplo è un marchio degli SSW assorbenti, proxy per il trasporto di calore verso il polo che innesca e prolunga l’evento.

Pannello (d): Evoluzione Tempo-Altezza dell’Anomalia della Componente Verticale del Flusso Eliassen-Palm su 45-75°N

Questa sezione mostra l’anomalia del flusso EP verticale (in m²/s²), con colori dal blu (divergenti negative, fino a -50) al rosso (convergenti positive, fino a +50). Lo studio utilizza i flussi EP per quantificare il trasporto ondulatorio.

• Lag-30: Anomalie minime, con flusso debole che indica stabilità iniziale.
• Onset: Convergenza intensa (rosso) nella stratosfera (10-50 hPa), riflettendo propagazione upward prolungata che causa riscaldamento e split.
• Lag+30: Riduzione della convergenza, con divergenze blu durante il recupero, mentre gli effetti discendono, rafforzando la TIL.

Questo pannello è cruciale, dimostrando l’assorbimento stratosferico negli eventi come il 2010, in contrasto con la riflessione downward nei riflettenti.

Pannelli (e) e (f): Evoluzione Temporale degli Indici di Blocking per il Pacifico Settentrionale (NP) e l’Euro-Atlantico (E-A)

Barre temporali degli indici di blocking per NP (e, blu) e E-A (f, arancione), basati su anomalie di altezza geopotenziale.

• NP (e): Variazioni moderate, senza estremi, indicando impatto limitato sul Pacifico.
• E-A (f): Aumento post-onset (intorno al 14 febbraio), con declino graduale, segnalando blocking Euro-Atlantico rafforzato durante il recupero.

Lo studio collega questo al coupling downward negli assorbenti, favorendo anomalie fredde in Europa.

Significato Complessivo e Implicazioni Scientifiche

La Figura A6 illustra l’SSW 2010 come evento assorbente misto, con propagazione upward estesa (40 giorni), reversal prolungato e coupling downward che rafforza la TIL e induce blocking E-A. Nello studio, si allinea con assorbenti come 2009 e 2018 per intensità, differendo dai riflettenti per durata e impatto troposferico. Queste insights, da osservazioni RO, offrono una prospettiva unica sul coupling verticale, con applicazioni per previsione sub-stagionale e studi sul cambiamento climatico.

Introduzione alla Figura A7 e Contesto Scientifico dell’Evento SSW del 2013 nello Studio

La Figura A7, estratta dallo studio “Observational perspective on sudden stratospheric warmings and blocking from Eliassen–Palm fluxes” di Kamilya Yessimbet e collaboratori (pubblicato su Atmospheric Chemistry and Physics il 27 settembre 2024), offre un’analisi spaziale, verticale e multidimensionale dell’evoluzione dell’evento di Sudden Stratospheric Warming (SSW) del 2013, utilizzando dati osservazionali puri derivati dalla radio occultazione del Global Navigation Satellite System (GNSS-RO). Questo studio esamina otto eventi SSW maggiori boreali verificatisi tra il 2007 e il 2019, con l’obiettivo di investigare il coupling verticale tra troposfera e stratosfera attraverso i flussi Eliassen-Palm (EP), che fungono da strumento diagnostico per quantificare il trasporto di momento angolare e calore ad opera delle onde planetarie – perturbazioni atmosferiche su larga scala che originano nella troposfera e propagano energia verso la stratosfera, causando il riscaldamento improvviso, l’indebolimento e la potenziale frammentazione del vortice polare stratosferico (SPV). Gli autori classificano gli SSW in due categorie principali basate sulla loro dinamica ondulatoria e sugli effetti troposferici: “riflettenti” (come quelli del 2007 e 2008, caratterizzati da una propagazione verso il basso delle onde, riflessione in stratosfera e formazione di blocking sul Pacifico Settentrionale durante la fase di recupero) e “assorbenti” (come gli eventi dal 2009 al 2019, inclusi 2009, 2010, 2013, 2016, 2018 e 2019, con una propagazione verso l’alto prolungata, assorbimento in stratosfera e blocking Euro-Atlantico post-evento).

L’SSW del 2013 è categorizzato come un evento “assorbente” di tipo misto, in cui il SPV subisce inizialmente uno spostamento (displacement) dal polo verso regioni eurasiatiche, seguito da una divisione (split) in vortici figli, guidato principalmente da onde planetarie di numero 1 e 2 amplificate da anomalie troposferiche preesistenti, come un blocking incipiente. Questo evento ha raggiunto il suo picco intorno al 7 gennaio 2013, con un riscaldamento stratosferico profondo e persistente (anomalie termiche superiori a 20-30 K che si estendono fino a circa 200 hPa, il livello approssimativo della tropopausa extratropicale), un’inversione dei venti zonali prolungata per diverse settimane e una propagazione downward degli effetti che ha rafforzato la tropopausa inversion layer (TIL) polare, aumentando la stabilità statica atmosferica vicino a 300 hPa. A differenza degli eventi riflettenti, che presentano un riscaldamento più superficiale e breve (limitato alla stratosfera superiore con riflessione delle onde verso la troposfera), il 2013 SSW mostra un’attività ondulatoria graduale e estesa (circa 40 giorni di flusso meridionale di calore eddy elevato, con picchi multipli e sovrapposti), che ha favorito un assorbimento continuo di momento angolare in stratosfera, creando un feedback positivo con la troposfera. Questo ha portato a una fase negativa dell’Oscillazione Artica (AO), favorendo un blocking Euro-Atlantico persistente che ha causato anomalie climatiche estreme, come ondate di freddo prolungate in Europa occidentale e Nord America orientale da metà gennaio a febbraio 2013, con implicazioni per la chimica atmosferica (ad esempio, alterazioni nella distribuzione dell’ozono stratosferico) e la variabilità climatica stagionale.

Lo studio sottolinea che il 2013 SSW, simile al 2010 (anch’esso misto e assorbente), si distingue per la sua evoluzione graduale, la durata estesa del reversal dei venti zonali (circa 40 giorni contro i 4-6 giorni negli eventi riflettenti come 2007 e 2008) e un enhancement marcato della TIL, uno dei più forti tra gli eventi studiati insieme al 2009 e al 2019, che ha aumentato la stabilità statica e rifranguto onde residue. Queste caratteristiche sono confermate da osservazioni RO pure, che includono profili di temperatura e altezza geopotenziale utilizzati per derivare venti geostrofici e flussi EP quasi-geostrofici, rivelando discrepanze minime rispetto alle reanalisi come ERA5 e fornendo una prospettiva osservazionale indipendente e affidabile. Inoltre, gli autori notano che negli eventi assorbenti come il 2013, il flusso meridionale di calore eddy presenta un picco multiplo preceduto da blocking troposferico, che amplifica la propagazione upward e prolunga la fase di recupero, con effetti che persistono per 60-90 giorni e influenzano pattern come l’Oscillazione Nord Atlantica (NAO). La figura presenta dati mediati su periodi di 3 giorni per tre fasi chiave: durante lo spostamento dell’SPV (25-27 dicembre 2012), durante la divisione (6-8 gennaio 2013) e dopo la divisione (13-15 gennaio 2013). I pannelli superiori (a e b) sono mappe polari centrate sul Polo Nord, illustrando la distribuzione spaziale orizzontale dei parametri, mentre i pannelli inferiori (c e d) sono sezioni meridionali che mostrano variazioni verticali e latitudinali (da 40°N a 80°N, con asse verticale in scala logaritmica di pressione dalla stratosfera alta alla troposfera bassa). Un riquadro nero evidenzia la regione Euro-Atlantica, dove il blocking si intensifica post-split, bloccando il flusso zonale e favorendo intrusioni di aria artica alle latitudini medie. Confrontato con altri eventi, il 2013 SSW condivide tratti con il 2016 (anch’esso misto e assorbente), come il riscaldamento profondo e il recupero lento, ma si distingue dal 2007 (riflettente) per l’assenza di riflessione downward delle onde e per un impatto troposferico più prolungato, fornendo preziosi insights per la modellistica numerica e la previsione sub-stagionale del tempo, specialmente in un contesto di cambiamento climatico che potrebbe aumentare la frequenza di tali eventi assorbenti. Analizziamo ciascun pannello in dettaglio, focalizzandoci sui processi fisici sottostanti, sulle osservazioni RO e sulle differenze con altri eventi.

Pannello (a): Velocità del Vento a 50 hPa con Contorni di Altezza Geopotenziale (Stratosfera Inferiore)

Questo pannello raffigura mappe polari della velocità del vento (shading in m/s) a 50 hPa (circa 20-25 km di altitudine nella stratosfera inferiore), sovrapposte ai contorni di altezza geopotenziale a 50 hPa. La scala colore va dal blu (velocità basse o negative, indicanti venti deboli o orientali) al rosso (velocità alte occidentali, fino a 65 m/s), rappresentando il flusso zonale che sostiene il SPV invernale.

• Fase di Spostamento (25-27 dicembre 2012, sinistra): Il vortice appare asimmetrico e spostato dal polo verso l’Eurasia, con un anello rosso deformato che riflette l’influenza iniziale di un’onda planetaria di numero 1 che perturba la simmetria ciclonica. Lo studio nota che questa fase è comune negli eventi misti assorbenti, dove lo spostamento prepara lo split attraverso un graduale accumulo di energia ondulatoria, con osservazioni RO che catturano il displacement verso l’Eurasia in modo più preciso rispetto alle reanalisi.
• Fase durante la Divisione (6-8 gennaio 2013, centro): Il vortice si frammenta in due lobi distinti, con aree blu centrali che segnalano un rallentamento e inversione locale dei venti, causati dall’assorbimento continuo di momento angolare dalle onde. Questo split è attribuito a un picco multiplo nel flusso di calore eddy, durato circa 40 giorni, che ha amplificato la propagazione upward, con i contorni di altezza geopotenziale che indicano una configurazione simile a un pattern negativo dell’AO.
• Fase post-Divisione (13-15 gennaio 2013, destra): I vortici figli sono separati, con venti forti periferici e un collasso polare (blu dominante), permettendo una ridistribuzione di aria calda dalle latitudini medie. Confrontato con eventi riflettenti come il 2007, qui l’assorbimento stratosferico prolunga il reversal, estendendo gli effetti downward e rafforzando la TIL.

Scientificamente, questo pannello illustra come gli SSW assorbenti come il 2013 favoriscano un coupling verticale più efficiente, con onde che si dissipano in stratosfera causando un riscaldamento profondo e persistente, con implicazioni per la ridistribuzione dell’ozono e anomalie fredde in superficie.

Pannello (b): Anomalia dell’Altezza Geopotenziale a 500 hPa con Contorni a 50 hPa (Troposfera Media)

Queste mappe polari mostrano l’anomalia di altezza geopotenziale (shading in metri) a 500 hPa (circa 5-6 km nella troposfera media), con contorni di anomalia a 50 hPa. Anomalie positive (rosso, fino a 350 m) indicano alta pressione e aria calda, mentre negative (blu) indicano bassa pressione e aria fredda.

• Fase di Spostamento (sinistra): Anomalie moderate con un vortice troposferico asimmetrico; il riquadro nero evidenzia un blocking Euro-Atlantico incipiente, con alte pressioni che iniziano a formarsi, amplificando l’attività ondulatoria upward.
• Fase durante la Divisione (centro): Anomalie negative intense al polo (blu), con deformazioni che rispecchiano lo split stratosferico, segnalando una propagazione downward che indebolisce il jet stream troposferico.
• Fase post-Divisione (destra): Anomalia negativa polare forte, con positive espanse nelle mid-latitude, rafforzando il blocking Euro-Atlantico in un pattern simile a un’AO negativa. Lo studio osserva che questo blocking emerge immediatamente dopo il recupero negli eventi assorbenti, contrastando con il blocking Pacifico nei riflettenti come 2007 e 2008.

Dal punto di vista scientifico, queste anomalie dimostrano il feedback troposfera-stratosfera: il blocking preesistente amplifica le onde, mentre l’SSW lo rafforza durante il recupero, prolungando anomalie climatiche come ondate di freddo, con osservazioni RO che confermano una configurazione geopotenziale simile a un’AO negativa.

Pannello (c): Flussi Eliassen-Palm e Divergenza vs. Latitudine e Altitudine

Queste sezioni meridionali mostrano i vettori del flusso EP (frecce) e la sua divergenza (shading), misurando il trasporto di momento e calore dalle onde. La scala va dal blu (divergente negativa, decelerazione dei venti) al rosso (convergente positiva, fino a 50 unità), con vettori plottati ogni quinto livello.

• Fase di Spostamento (sinistra): Flusso upward debole ma crescente, con convergenza in stratosfera media (50-100 hPa, 60-80°N), indicante l’inizio di un’attività ondulatoria prolungata, preceduta da un picco troposferico.
• Fase durante la Divisione (centro): Convergenza intensa (rosso) nella stratosfera alta (10-50 hPa), riflettendo onde che iniettano energia, causando lo split e l’assorbimento stratosferico tipico degli eventi assorbenti.
• Fase post-Divisione (destra): Riduzione della convergenza, con divergenze blu durante il recupero, mentre gli effetti discendono verso la troposfera, rafforzando la TIL.

Lo studio enfatizza che i flussi EP upward continui nel 2013 (zona di convergenza larga) distinguono gli assorbenti dai riflettenti, con un picco negativo di componente verticale in stratosfera preceduto da troposfera, confermando la propagazione upward.

Pannello (d): Velocità del Vento Zonale vs. Latitudine e Altitudine

Sezioni meridionali della componente zonale del vento (shading in m/s), con colori dal blu (venti orientali negativi, fino a -40 m/s) al rosso (occidentali positivi, fino a 40 m/s), e vettori EP sovrapposti.

• Fase di Spostamento (sinistra): Venti positivi forti in stratosfera, ma con asimmetrie polari incipienti dovute alle onde.
• Fase durante la Divisione (centro): Inversione a negativi nella stratosfera alta (10-50 hPa), segnale diagnostico di SSW maggiore, con vettori EP upward che indicano decelerazione al polo.
• Fase post-Divisione (destra): Venti negativi persistenti che discendono (fino a 200-500 hPa), con venti orientali che si estendono downward durante il recupero, e un enhancement della TIL.

Questo pannello evidenzia il reversal prolungato (circa 40 giorni), con effetti che raggiungono la superficie, aumentando la stabilità statica vicino a 300 hPa e favorendo anomalie fredde.

Significato Complessivo e Implicazioni Scientifiche

La Figura A7 cattura l’evoluzione mista e assorbente dell’SSW 2013, con propagazione upward graduale delle onde (40 giorni di flusso enhanced), split dell’SPV e coupling downward che rafforza la TIL e induce blocking E-A persistente, simile a un’AO negativa. Nello studio, il 2013 si allinea con eventi assorbenti come 2010 e 2016 per la sua durata e intensità, differendo dai riflettenti per l’assorbimento stratosferico e l’impatto troposferico prolungato, che ha portato a ondate di freddo estreme. Queste insights, basate su osservazioni RO pure, offrono una prospettiva unica sul coupling verticale, con applicazioni per la previsione del tempo sub-stagionale e studi sul cambiamento climatico, che potrebbe aumentare la frequenza di eventi assorbenti con implicazioni per la chimica atmosferica e la variabilità globale.

Introduzione alla Figura A8

La Figura A8, tratta dallo studio Observational perspective on sudden stratospheric warmings and blocking from Eliassen–Palm fluxes di Kamilya Yessimbet e collaboratori (pubblicato su Atmospheric Chemistry and Physics nel settembre 2024), fornisce un’analisi composita multidimensionale dell’evento di riscaldamento stratosferico improvviso (Sudden Stratospheric Warming, SSW) avvenuto nel gennaio 2013. Questo evento è centrato sulla data del 7 gennaio 2013, considerata il picco dell’SSW, e la figura copre un intervallo temporale di ±30 giorni intorno a questa data. L’SSW del 2013 è classificato come un “major warming” di tipo wave-2, caratterizzato da uno split del vortice polare stratosferico in due lobi principali, che ha portato a un significativo indebolimento della circolazione stratosferica invernale.

Questo fenomeno è guidato da intense interazioni tra onde planetarie provenienti dalla troposfera e la stratosfera, con un forte accoppiamento verticale che influenza il tempo meteorologico in superficie, inclusi potenziali periodi di freddo estremo in regioni eurasiatiche e nordamericane. Lo studio utilizza dati osservazionali ad alta risoluzione da occultazioni radio GNSS (Global Navigation Satellite System Radio Occultation), che offrono profili verticali precisi di temperatura, vento e altri parametri atmosferici, permettendo di tracciare la propagazione delle onde attraverso i flussi di Eliassen-Palm (EP fluxes). Questi flussi rappresentano il trasferimento di momento e energia dalle onde troposferiche verso la stratosfera, e nel contesto del paper, aiutano a classificare l’SSW 2013 come prevalentemente “assorbente”, dove le onde vengono assorbite nella stratosfera media, portando a un prolungato disturbo del vortice polare.

Rispetto ad altri eventi, come l’SSW del 2007 (analizzato nella Figura A2 dello stesso studio), il 2013 mostra un pattern più persistente di disaccoppiamento stratosfera-troposfera, con riflessioni parziali delle onde che influenzano il clima troposferico per settimane. Analisi scientifiche indipendenti confermano che questo SSW è stato preceduto da anomalie troposferiche, come blocchi atmosferici (blocking) nell’Euro-Atlantico, che hanno amplificato l’attività ondulatoria verso l’alto, culminando in un rovesciamento dei venti zonali stratosferici da ovest a est. Di seguito, descrivo ciascun pannello in modo dettagliato, evidenziando gli aspetti scientifici osservazionali e le dinamiche atmosferiche coinvolte.

Pannello (a): Anomalia di Temperatura (T anomaly) nella Regione Polare (65–90° N)

Questo pannello illustra l’evoluzione temporale e verticale delle anomalie di temperatura nella calotta polare artica, con l’asse verticale in scala logaritmica di pressione (da circa 1000 hPa vicino alla superficie a 10 hPa nella stratosfera alta) e l’asse orizzontale che copre i ±30 giorni dal 7 gennaio. I colori indicano deviazioni dalla media climatologica (2007-2019): toni rossi per riscaldamenti positivi (fino a +30 K) e blu per raffreddamenti (fino a -30 K).

Scientificamente, durante l’SSW 2013, si osserva un’intensa anomalia positiva di temperatura nella stratosfera media e alta (intorno ai 10-50 hPa), con picchi superiori a +20 K che iniziano circa 5-10 giorni prima del picco e persistono per oltre due settimane dopo. Questo riscaldamento è il risultato di una compressione adiabatica causata dalla convergenza di momento angolare trasportato dalle onde planetarie di tipo wave-2, che dissipano energia nella stratosfera, invertendo il gradiente termico polare tipico dell’inverno (freddo al polo). Le osservazioni GNSS RO rivelano che questo calore si propaga verso il basso nella troposfera inferiore nei giorni successivi, contribuendo a anomalie di freddo in superficie in Eurasia centrale, come documentato in studi sul riflesso delle onde planetarie. Rispetto a eventi riflettenti (come il 2007), qui l’anomalia è più diffusa verticalmente, indicando un maggiore assorbimento di energia ondulatoria.

Pannello (b): Anomalia del Vento Zonale Medio (ū) a 60° N

Qui è rappresentata l’evoluzione delle anomalie del vento zonale (medio lungo i paralleli) a latitudine 60° N, con colori che vanno dal blu per venti deboli o easterly (fino a -60 m/s) al rosso per venti forti westerly (fino a +60 m/s). La linea tratteggiata rappresenta la topografia superficiale, evidenziando l’interfaccia troposfera-stratosfera.

Dal punto di vista scientifico, il pannello cattura il cuore dinamico dell’SSW: il rovesciamento dei venti zonali da westerly (tipici dell’inverno boreale, che mantengono il vortice polare forte) a easterly intorno ai 10 hPa, verificatosi precisamente il 6-7 gennaio 2013. Questo rovesciamento è innescato dall’accumulo di momento angolare negativo dalle onde planetarie, che decelerano il flusso zonale. Nelle analisi GEOS-5 (Goddard Earth Observing System), questo è associato a uno split del vortice in due centri, uno sull’Eurasia e uno sul Nord America, con una persistenza dell’anomalia negativa per circa 20-30 giorni. L’evento 2013 mostra una propagazione verso il basso più lenta rispetto ad altri SSW, influenzando la circolazione troposferica e favorendo configurazioni di blocking che prolungano condizioni meteorologiche estreme, come ondate di freddo.

Pannello (c): Flusso di Calore Meridionale Eddy (V’T’) a 100 hPa, 45–75° N

Questo è un grafico lineare che mostra la serie temporale del flusso di calore meridionale eddy (trasporto di calore da sud a nord dovuto a perturbazioni ondulatorie) a 100 hPa, mediato su 45–75° N. La linea rossa solida rappresenta i valori per il 2013, quella tratteggiata la climatologia giornaliera, e la linea blu il vento zonale a 10 hPa e 60° N. L’ombreggiatura grigia indica il range di variabilità dal 2007-2019.

Scientificamente, il flusso di calore eddy è un proxy dell’attività delle onde planetarie troposferiche che si propagano verso la stratosfera. Nell’SSW 2013, si nota un picco positivo significativo intorno al giorno -5 (prima del 7 gennaio), che coincide con l’intensificazione delle onde wave-2, preceduto da anomalie troposferiche come blocchi nel Pacifico e Atlantico. Questo picco contribuisce alla decelerazione del vortice, e il successivo declino post-SWW riflette l’assorbimento delle onde. Studi sull’interazione stratosfera-troposfera evidenziano come tali flussi durante l’SSW 2013 abbiano portato a risposte ionosferiche, con variazioni nella densità elettronica dovute a cambiamenti nella circolazione neutra.

Pannello (d): Anomalia del Componente Verticale del Flusso EP (F_p anomaly), 45–75° N

Il pannello visualizza le anomalie del componente verticale dei flussi EP, con colori da blu (anomalie negative, discesa) a rosso (positive, ascesa), e aree tratteggiate che indicano periodi di vento zonale negativo a 10 hPa e 60° N.

Nel contesto scientifico, i flussi EP quantificano la propagazione verticale delle onde: valori positivi indicano onde che salgono dalla troposfera, mentre negativi suggeriscono riflessione o discesa. Per l’SSW 2013, si osserva una forte anomalia positiva pre-evento (giorni -10 a 0), corrispondente all’afflusso di onde wave-2 che causano lo split del vortice, seguito da anomalie negative post-evento, indicative di riflessione parziale verso la troposfera. Questo pattern “assorbente” è legato a impatti troposferici prolungati, come anomalie di pressione in superficie che favoriscono blocking eurasiatico, influenzando il clima invernale. Le osservazioni RO nello studio rivelano una risoluzione verticale fine, mostrando come queste anomalie si estendano dalla stratosfera bassa alla mesosfera.

Pannelli (e) e (f): Indici di Blocking nel Nord Pacifico (NP) e Euro-Atlantico (EA)

Questi sono barre temporali che indicano l’intensità degli indici di blocking (basati su gradienti di geopotenziale a 500 hPa) nelle regioni NP (e) e EA (f), con colori arancioni/rossi per blocking attivi da dicembre 2012 a febbraio 2013.

Scientificamente, i blocking rappresentano regioni di alta pressione persistente che deviano il flusso jet stream, amplificando le onde planetarie. Nell’SSW 2013, il pannello (e) mostra blocking NP moderato pre-evento, mentre (f) evidenzia un blocking EA forte e persistente intorno al picco, che ha agito come precursore troposferico, favorendo la propagazione ondulatoria. Questo è coerente con analisi che collegano blocking EA a SSW wave-2, con effetti a cascata su ionosfera e troposfera, inclusi cambiamenti nella circolazione che portano a freddo estremo. Rispetto al 2007 (dominato da NP), il 2013 sottolinea il ruolo dominante dell’EA negli eventi assorbenti.

Conclusioni e Importanza Scientifica

La Figura A8 illustra come l’SSW 2013, un evento major con split del vortice durante condizioni di attività solare moderata-alta, esemplifichi l’accoppiamento dinamico tra troposfera e stratosfera. Le osservazioni GNSS RO offrono insights unici sulla propagazione ondulatoria, rivelando pattern assorbenti che prolungano impatti superficiali, come riflessi su Eurasia. Questo contribuisce alla comprensione predittiva degli SSW, con implicazioni per le previsioni stagionali e lo studio dei cambiamenti climatici, dove l’aumento di tali eventi è legato a variazioni nel flusso ondulatorio troposferico. Se desideri approfondimenti su aspetti specifici o confronti con altri SSW, fammi sapere!

Introduzione alla Figura A9

La Figura A9, tratta dallo studio “Observational perspective on sudden stratospheric warmings and blocking from Eliassen–Palm fluxes” di Kamilya Yessimbet e collaboratori (pubblicato su Atmospheric Chemistry and Physics il 27 settembre 2024), fornisce un’analisi spaziale multidimensionale e verticale dell’evento di riscaldamento stratosferico improvviso (Sudden Stratospheric Warming, SSW) del 2016, un “major final warming” che ha segnato la fine prematura della stagione invernale stratosferica nell’Emisfero Nord. Questo evento, avvenuto a marzo 2016 durante un inverno influenzato dal forte El Niño del 2015-2016, è stato caratterizzato da un iniziale spostamento del vortice polare stratosferico (Stratospheric Polar Vortex, SPV), seguito da uno split in due lobi principali e da una frammentazione definitiva, con un riscaldamento polare estremo che ha superato i 50-70 °F in pochi giorni e un rovesciamento dei venti zonali da ovest a est per circa 21 giorni. L’SSW 2016 è stato uno dei più intensi registrati, con impatti significativi sulla chimica stratosferica, inclusa la terminazione anticipata della perdita di ozono artico dovuta alla dispersione dell’aria vorticale fredda e ricca di cloro, che ha evitato un potenziale record di deplezione ozonica nonostante le condizioni iniziali favorevoli a una forte perdita. Inoltre, ha influenzato la circolazione troposferica, portando a ondate di freddo persistenti in Europa orientale e Nord America, e ha alterato parametri ionosferici come la densità elettronica nella regione mesosferica e termica inferiore (MLT), con variazioni osservate in Siberia orientale.

La figura è strutturata analogamente alla A1 (riferita a un altro SSW), ma focalizzata su tre fasi temporali mediate su 3 giorni: lo spostamento dell’SPV (5-7 marzo, sinistra), lo split (11-13 marzo, centro) e la fase post-split (15-17 marzo, destra). Utilizzando dati ad alta risoluzione da occultazioni radio GNSS, lo studio classifica questo SSW come “misto” con tratti assorbenti, dove le onde planetarie (wave-1 e wave-2) provenienti dalla troposfera, amplificate dall’El Niño, si propagano verso l’alto attraverso i flussi di Eliassen-Palm (EP fluxes), dissipando energia e causando un’accelerata transizione verso la circolazione estiva stratosferica. Il riquadro nero nei pannelli evidenzia la regione di blocking Euro-Atlantico, un’area di alta pressione persistente che ha agito da precursore troposferico, deviando il jet stream e favorendo l’attività ondulatoria. Questo evento ha anche interrotto processi chimici come l’attivazione del cloro, riducendo la formazione di nubi stratosferiche polari e limitando la distruzione dell’ozono a livelli inferiori al previsto.

Per illustrare visivamente queste dinamiche, ho incluso immagini rappresentative da fonti scientifiche, che mostrano pattern simili osservati durante l’SSW 2016.

Pannello (a): Vento Zonale a 10 hPa (Proiezione Polare)

researchgate.net

climate.gov

Questo pannello mostra tre mappe polari dell’Emisfero Nord del vento zonale medio a 10 hPa (circa 30 km di altitudine, nella stratosfera media), con una scala cromatica dal blu (venti easterly deboli, fino a -55 m/s) al rosso (venti westerly forti, fino a +55 m/s). Le linee nere tracciano i contorni del geopotenziale, delineando la morfologia del vortice polare.

Scientificamente, nella fase di spostamento (5-7 marzo, sinistra), l’SPV appare elongato e decentrato verso l’Eurasia, con venti westerly ancora prevalenti ma indeboliti al centro polare, a causa di un’intrusione iniziale di onde planetarie wave-1 rafforzate dall’El Niño, che ha generato flussi di momento angolare negativi dalla troposfera. Durante lo split (11-13 marzo, centro), il vortice si biforca in due lobi principali – uno sull’Atlantico settentrionale e l’altro sul Pacifico – con zone estese di venti easterly che indicano il rovesciamento completo della circolazione, raggiungendo velocità minime di -21 m/s e causando un riscaldamento adiabatico intenso. Nella fase post-split (15-17 marzo, destra), il vortice è frammentato e disperso, con venti easterly diffusi che segnano la transizione irreversibile verso la circolazione estiva, favorendo la miscelazione di aria subtropicale ricca di ozono nel polo e terminando la perdita chimica di ozono. Questo pattern “finale” ha prolungato effetti troposferici, inclusi cambiamenti nel jet stream che hanno influenzato il clima primaverile, con temperature più miti in alcune regioni artiche ma persistenti anomalie fredde altrove.

Pannello (b): Anomalia di Altezza Geopotenziale a 500 hPa (Proiezione Polare)

researchgate.net

researchgate.net

Simile al pannello precedente, ma centrato sulle anomalie di altezza geopotenziale a 500 hPa (circa 5-6 km, troposfera media), con colori dal blu (anomalie negative fino a -350 m, bassa pressione) al rosso (positive fino a +350 m, alta pressione). Il riquadro nero delimita la regione Euro-Atlantica di blocking.

Dal punto di vista scientifico, durante lo spostamento (sinistra), emerge un’anomalia positiva marcata sull’Euro-Atlantico (nel riquadro), rappresentante un blocking persistente che devia il flusso del jet stream, amplificando le onde planetarie verso la stratosfera e agendo come catalizzatore per l’SSW. Nello split (centro), l’anomalia si rafforza, formando un dipolo con alta pressione polare e bassa subtropicale, che riflette la distorsione del vortice e contribuisce alla dispersione di aria fredda vorticale, influenzando la mesosfera con variazioni nella densità neutra e ionica. Post-split (destra), le anomalie positive si diffondono, indicando una transizione verso configurazioni anticicloniche estive, con impatti sul clima superficiale come la riduzione di ondate di freddo e l’anticipo della primavera boreale. Il blocking Euro-Atlantico, evidenziato dal riquadro, è stato cruciale, legato all’attività ondulatoria invernale eccezionale durante l’El Niño, e ha prolungato gli effetti troposferici per diverse settimane.

Pannello (c): Divergenza del Flusso EP (Sezione Meridionale)

Questo pannello illustra tre diagrammi pressione-latitudine (scala logaritmica da 1000 hPa a 10 hPa, latitudini 40°-80° N), con colori dal blu (-50 unità, convergenza) al rosso (+50, divergenza) per la divergenza dei flussi EP, e frecce che indicano la direzione dei flussi.

Scientificamente, nella fase di spostamento (sinistra), si osserva una convergenza intensa nella stratosfera bassa (100-300 hPa), che decelerà l’SPV attraverso il trasferimento di momento angolare negativo dalle onde wave-1 troposferiche. Durante lo split (centro), la convergenza si espande verticalmente, con flussi ascendenti che causano lo split wave-2, dissipando energia e innescando il riscaldamento polare, con effetti sulla ionosfera come perturbazioni nella densità elettronica. Post-split (destra), domina la divergenza nella stratosfera alta, suggerendo una riflessione parziale delle onde verso la troposfera, che prolunga anomalie superficiali come blocking persistenti e altera la circolazione globale. Questo pattern assorbente è caratteristico degli SSW finali, con implicazioni per la chimica atmosferica, inclusa la cessazione dell’attivazione del cloro e la protezione dello strato di ozono.

Pannello (d): Anomalia del Vento Zonale (Sezione Meridionale)

researchgate.net

researchgate.net

Analogo al (c), ma per le anomalie del vento zonale (blu per easterly fino a -40 m/s, rosso per westerly fino a +40 m/s), con contorni che definiscono le strutture.

Nel dettaglio scientifico, durante lo spostamento (sinistra), anomalie negative appaiono nella stratosfera media (10-100 hPa), segnalando l’inizio del rovesciamento guidato da convergenza di momento angolare. Nello split (centro), le anomalie easterly si intensificano e discendono, raggiungendo la troposfera e modificando il jet stream, con ripercussioni su scala emisferica. Post-split (destra), le anomalie persistono, con una propagazione verso il basso che influenza il clima fino ad aprile, favorendo transizioni stagionali anticipate e riducendo la variabilità invernale. Rispetto ad altri SSW, il 2016 evidenzia una durata maggiore delle anomalie, collegata all’El Niño e a un’attività ondulatoria invernale record.

Conclusioni e Importanza Scientifica

La Figura A9 cattura l’evoluzione spaziale dell’SSW 2016, un evento finale major durante un El Niño eccezionale, che ha causato uno split vorticale e la fine abrupta della stagione polare stratosferica, con effetti a cascata sulla troposfera e ionosfera. Le osservazioni GNSS RO sottolineano come il blocking Euro-Atlantico abbia amplificato i flussi EP, portando a impatti prolungati sul clima, inclusi cambiamenti nella circolazione e nella chimica atmosferica. Questo contribuisce alla comprensione degli SSW nel contesto della variabilità climatica, con potenziali collegamenti a trend a lungo termine di eventi più frequenti dovuti a onde planetarie intensificate.

Introduzione alla Figura A10

La Figura A10, estratta dallo studio “Observational perspective on sudden stratospheric warmings and blocking from Eliassen–Palm fluxes” di Kamilya Yessimbet e collaboratori (pubblicato su Atmospheric Chemistry and Physics il 27 settembre 2024), fornisce un’analisi composita multidimensionale dell’evento di riscaldamento stratosferico improvviso (Sudden Stratospheric Warming, SSW) del 2016, un “major final warming” che ha segnato la fine prematura della stagione invernale stratosferica nell’Emisfero Nord. Questo evento, centrato sul 5 marzo 2016, è stato influenzato dal forte El Niño del 2015-2016, che ha amplificato l’attività delle onde planetarie troposferiche (in particolare wave-1 e wave-2), portando a un rapido riscaldamento polare di oltre 50-70 °F in pochi giorni, un rovesciamento dei venti zonali da ovest a est per circa 21 giorni, e una frammentazione del vortice polare stratosferico (Stratospheric Polar Vortex, SPV). L’SSW 2016 ha avuto impatti profondi sulla chimica stratosferica, terminando anticipatamente la perdita di ozono artico attraverso la dispersione dell’aria vorticale fredda e ricca di cloro, evitando un potenziale record di deplezione ozonica nonostante le condizioni iniziali favorevoli (come temperature stratosferiche basse e alta attivazione del cloro). Inoltre, ha influenzato la troposfera con ondate di freddo persistenti in Europa orientale e Nord America, e ha alterato parametri ionosferici come la densità elettronica nella regione mesosferica e termica inferiore (MLT), con variazioni osservate in Siberia orientale.

La figura segue la struttura della A2 (per l’SSW 2007), ma è adattata al 2016, coprendo ±30 giorni dal picco centrale. Utilizza dati ad alta risoluzione da occultazioni radio GNSS per classificare l’SSW come “misto” con tratti assorbenti, dove le onde planetarie si propagano verso l’alto tramite flussi di Eliassen-Palm (EP fluxes), dissipando energia e causando una transizione accelerata verso la circolazione estiva stratosferica. Questo evento ha anche aumentato l’ozono troposferico inferiore nell’Artico, Nord America ed Europa dal suo inizio fino a 3 mesi dopo, influenzando la qualità dell’aria e il clima superficiale. Di seguito, descrivo ciascun pannello in modo dettagliato, arricchendo con contesti scientifici su impatti e dinamiche, e includendo immagini rappresentative per visualizzare i concetti.

Pannello (a): Anomalia di Temperatura (T anomaly) nella Regione Polare (65–90° N)

climate.gov

climate.gov

Questo pannello illustra l’evoluzione temporale e verticale delle anomalie di temperatura nella calotta polare artica, con l’asse verticale in scala logaritmica di pressione (da 1000 hPa vicino alla superficie a 10 hPa nella stratosfera alta) e un intervallo centrato sul 5 marzo. I colori vanno dal blu (raffreddamenti fino a -30 K) al rosso (riscaldamenti fino a +30 K).

Scientificamente, si nota un’intensa anomalia positiva nella stratosfera media e alta (10-50 hPa) intorno al picco, con valori superiori a +20 K che iniziano 5-10 giorni prima e persistono per oltre due settimane, risultanti da compressione adiabatica dovuta alla convergenza di momento angolare dalle onde planetarie. Questo riscaldamento ha disperso l’aria vorticale fredda, terminando la perdita chimica di ozono e aumentando le concentrazioni primaverili di ozono stratosferico, con anomalie positive correlate alla durata del riscaldamento. La propagazione verso il basso ha causato anomalie di freddo in superficie in Eurasia centrale, influenzando il jet stream e prolungando condizioni meteorologiche estreme. Rispetto all’SSW 2007, il 2016 mostra un’anomalia più diffusa verticalmente, legata all’El Niño che ha rafforzato l’attività ondulatoria.

Pannello (b): Anomalia del Vento Zonale Medio (ū) a 60° N

simonleewx.com

researchgate.net

Qui è raffigurata l’evoluzione delle anomalie del vento zonale medio a 60° N, con colori dal blu (venti easterly fino a -60 m/s) al rosso (westerly fino a +60 m/s). La linea tratteggiata rappresenta la topografia superficiale.

Dal punto di vista scientifico, il pannello evidenzia il rovesciamento dei venti da westerly invernali a easterly intorno ai 10-30 hPa dal 5 marzo, causato dall’accumulo di momento angolare negativo dalle onde planetarie, che ha frammentato il vortice in due lobi. Questo rovesciamento, durato 20-30 giorni, ha segnato la transizione finale verso la circolazione estiva, terminando la perdita di ozono e favorendo la miscelazione di aria subtropicale ricca di ozono. La propagazione discendente ha alterato la troposfera, aumentando l’ozono inferiore e influenzando il clima superficiale con temperature più miti in alcune regioni artiche ma freddo persistente altrove. Il 2016 si distingue dal 2007 per la maggiore persistenza, legata all’El Niño e a un’onda 3 record in troposfera pre-evento.

Pannello (c): Flusso di Calore Meridionale Eddy (V’T’) a 100 hPa, 45–75° N

Questo grafico lineare mostra la serie temporale del flusso di calore meridionale eddy a 100 hPa, con la linea rossa solida per il 2016, tratteggiata per la climatologia, e blu per il vento zonale a 10 hPa. L’ombreggiatura grigia indica il range di variabilità.

Scientificamente, il flusso eddy riflette l’attività ondulatoria troposferica: un picco significativo prima del 5 marzo (intorno al 25 febbraio) indica l’intensificazione delle onde wave-1 e wave-2, amplificate dall’El Niño e dal blocking Euro-Atlantico. Questo ha contribuito alla decelerazione del vortice, e il declino post-SSW segnala l’assorbimento delle onde, con effetti sulla ionosfera come variazioni nella densità elettronica. Rispetto al 2007, il picco del 2016 è più pronunciato, coerente con la natura finale e gli impatti prolungati sul clima troposferico.

Pannello (d): Anomalia del Componente Verticale del Flusso EP (F_p anomaly), 45–75° N

researchgate.net

researchgate.net

Il pannello visualizza le anomalie del flusso verticale EP, con colori dal blu (negative, discesa) al rosso (positive, ascesa), e aree tratteggiate per venti zonali negativi.

Scientificamente, anomalie positive pre-picco indicano onde ascendenti che causano lo spostamento e lo split, mentre negative post-5 marzo suggeriscono riflessione parziale verso la troposfera, prolungando anomalie superficiali. Questo pattern assorbente ha aumentato l’ozono troposferico e terminato la perdita stratosferica, con impatti sulla qualità dell’aria e sul clima. Il 2016 mostra una riflessione più marcata rispetto al 2007, legata all’El Niño.

Pannelli (e) e (f): Indici di Blocking nel Nord Pacifico (NP) e Euro-Atlantico (EA)

wcd.copernicus.org

nature.com

Questi diagrammi a barre indicano l’intensità del blocking NP (e) e EA (f), con colori arancioni/rossi per attività elevata da febbraio a marzo 2016.

Scientificamente, il blocking NP è moderato pre-evento ma debole al picco, mentre l’EA è forte e persistente, agendo come precursore che devia il jet stream e amplifica le onde. Questo ha prolungato effetti troposferici, come freddo estremo in Cina e Ucraina (cali di 14-18 °C). Rispetto al 2007 (NP dominante), il 2016 sottolinea il ruolo EA negli SSW finali.

Conclusioni e Importanza Scientifica

La Figura A10 cattura l’SSW 2016 come un evento finale major durante un El Niño record, con split vorticale e fine abrupta della stagione polare, influenzando ozono, troposfera e ionosfera. Le osservazioni GNSS RO evidenziano l’accoppiamento troposfera-stratosfera, con implicazioni per previsioni stagionali e cambiamenti climatici, dove tali eventi potrebbero intensificarsi.

Introduzione alla Figura A11

La Figura A11, tratta dallo studio “Observational perspective on sudden stratospheric warmings and blocking from Eliassen–Palm fluxes” di Kamilya Yessimbet e collaboratori (pubblicato su Atmospheric Chemistry and Physics il 27 settembre 2024), fornisce un’analisi spaziale multidimensionale e verticale dell’evento di riscaldamento stratosferico improvviso (Sudden Stratospheric Warming, SSW) del 2018, un “major warming” di tipo wave-2 che ha coinvolto uno split del vortice polare stratosferico (Stratospheric Polar Vortex, SPV) in febbraio. Questo SSW è stato preceduto da un’accumulo anomalo di neve in Siberia, che ha contribuito all’occorrenza dell’evento amplificando le onde planetarie, e ha portato a un rapido riscaldamento polare di oltre 30-40 K nella stratosfera media, con un rovesciamento dei venti zonali da ovest a est per circa 20-30 giorni. L’evento ha avuto impatti significativi sul clima superficiale, inclusi cali termici estremi in Cina (fino a -18 °C pre-SSW) e Ucraina (-14 °C durante l’SSW), ondate di freddo in Europa settentrionale e orientale note come “Beast from the East”, e anomalie positive di temperatura in Nord America e Artico. Inoltre, ha influenzato la mesosfera media-latitudine con raffreddamenti e alterazioni nella circolazione, variando i livelli locali di monossido di carbonio (CO) associati a cambiamenti nelle onde planetarie, e ha migliorato la prevedibilità sub-stagionale, con modelli che hanno anticipato l’evento di almeno 11 giorni grazie a previsioni ensemble che indicavano probabilità triple rispetto alla climatologia.

La figura è strutturata analogamente alla A1 (riferita a un altro SSW), ma focalizzata sul 2018, mostrando parametri mediati su 3 giorni per tre fasi: prima dello split dell’SPV (4-6 febbraio, sinistra), durante lo split (10-12 febbraio, centro) e dopo lo split (19-21 febbraio, destra). Utilizzando dati ad alta risoluzione da occultazioni radio GNSS, lo studio classifica questo SSW come “assorbente”, dove le onde planetarie (principalmente wave-2) si dissipano nella stratosfera, propagando effetti verso la troposfera e riducendo la perdita di ozono artico post-inverno. Il riquadro nero nei pannelli evidenzia la regione di blocking Euro-Atlantico, un’area di alta pressione persistente che ha agito da precursore troposferico, deviando il jet stream e favorendo l’attività ondulatoria, con implicazioni per la chimica stratosferica e la qualità dell’aria troposferica.

Pannello (a): Vento Zonale a 10 hPa (Proiezione Polare)

scitechdaily.com

acp.copernicus.org

Questo pannello mostra tre mappe polari dell’Emisfero Nord del vento zonale medio a 10 hPa (circa 30 km di altitudine, stratosfera media), con una scala cromatica dal blu (venti easterly deboli, fino a -55 m/s) al rosso (venti westerly forti, fino a +55 m/s). Le linee nere tracciano i contorni del geopotenziale, delineando la morfologia del vortice polare.

Scientificamente, prima dello split (4-6 febbraio, sinistra), l’SPV appare elongato e decentrato verso l’Eurasia, con venti westerly prevalenti ma indeboliti al centro polare, a causa di un’intrusione iniziale di onde planetarie wave-1 e wave-2 rafforzate dall’accumulo di neve siberiana e dal blocking Euro-Atlantico. Durante lo split (10-12 febbraio, centro), il vortice si biforca in due lobi principali – uno sull’Atlantico settentrionale e l’altro sul Pacifico – con zone estese di venti easterly che indicano il rovesciamento completo della circolazione, raggiungendo velocità minime di -20 m/s e causando un riscaldamento adiabatico intenso, con variazioni nel CO mesosferico legate a isentropi inclinati. Dopo lo split (19-21 febbraio, destra), il vortice è frammentato e disperso, con venti easterly diffusi che segnano la persistenza del disturbo, favorendo la miscelazione di aria subtropicale ricca di ozono nel polo e prolungando effetti troposferici come ondate di freddo in Europa. Questo pattern wave-2 ha migliorato la prevedibilità, con ensemble forecast che hanno triplicato le probabilità rispetto alla climatologia.

Pannello (b): Anomalia di Altezza Geopotenziale a 500 hPa (Proiezione Polare)

researchgate.net

researchgate.net

Simile al pannello precedente, ma centrato sulle anomalie di altezza geopotenziale a 500 hPa (circa 5-6 km, troposfera media), con colori dal blu (anomalie negative fino a -350 m, bassa pressione) al rosso (positive fino a +350 m, alta pressione). Il riquadro nero delimita la regione Euro-Atlantica di blocking.

Dal punto di vista scientifico, prima dello split (sinistra), emerge un’anomalia positiva marcata sull’Euro-Atlantico (nel riquadro), rappresentante un blocking persistente che devia il flusso del jet stream, amplificando le onde planetarie verso la stratosfera e agendo come catalizzatore per l’SSW, influenzato dall’accumulo nevoso siberiano. Durante lo split (centro), l’anomalia si rafforza, formando un dipolo con alta pressione polare e bassa subtropicale, che riflette la distorsione del vortice e contribuisce alla dispersione di aria fredda vorticale, alterando la mesosfera con raffreddamenti e variazioni nel CO. Dopo lo split (destra), le anomalie positive si diffondono, indicando una transizione verso configurazioni anticicloniche, con impatti sul clima superficiale come la “Beast from the East” in Europa e temperature più miti in Artico. Il blocking Euro-Atlantico, evidenziato dal riquadro, è stato cruciale, legato a un forzante wave-2 che ha migliorato la prevedibilità sub-stagionale.

Pannello (c): Divergenza del Flusso EP (Sezione Meridionale)

researchgate.net

researchgate.net

Questo pannello illustra tre diagrammi pressione-latitudine (scala logaritmica da 1000 hPa a 10 hPa, latitudini 40°-80° N), con colori dal blu (-50 unità, convergenza) al rosso (+50, divergenza) per la divergenza dei flussi EP, e frecce che indicano la direzione dei flussi.

Scientificamente, prima dello split (sinistra), si osserva una convergenza intensa nella stratosfera bassa (100-300 hPa), che decelerà l’SPV attraverso il trasferimento di momento angolare negativo dalle onde troposferiche, amplificate dal blocking. Durante lo split (centro), la convergenza si espande verticalmente, con flussi ascendenti che causano lo split wave-2, dissipando energia e innescando il riscaldamento polare, con effetti sulla ionosfera e mesosfera come isentropi inclinati che alterano il CO. Dopo lo split (destra), domina la divergenza nella stratosfera alta, suggerendo una riflessione parziale delle onde verso la troposfera, che prolunga anomalie superficiali come blocking persistenti e ondate di freddo. Questo pattern assorbente è caratteristico degli SSW wave-2, con implicazioni per la chimica atmosferica, inclusa la riduzione della deplezione ozonica.

Pannello (d): Anomalia del Vento Zonale (Sezione Meridionale)

acp.copernicus.org

researchgate.net

Analogo al (c), ma per le anomalie del vento zonale (blu per easterly fino a -40 m/s, rosso per westerly fino a +40 m/s), con contorni che definiscono le strutture.

Nel dettaglio scientifico, prima dello split (sinistra), anomalie negative appaiono nella stratosfera media (10-100 hPa), segnalando l’inizio del rovesciamento guidato da convergenza di momento angolare. Durante lo split (centro), le anomalie easterly si intensificano e discendono, raggiungendo la troposfera e modificando il jet stream, con ripercussioni su scala emisferica come freddo in Ucraina. Dopo lo split (destra), le anomalie persistono, con una propagazione verso il basso che influenza il clima fino a marzo, favorendo transizioni stagionali anticipate e variazioni nel CO mesosferico. Rispetto ad altri SSW, il 2018 evidenzia una durata maggiore delle anomalie, collegata a un forzante wave-2 forte e all’accumulo nevoso siberiano.

Conclusioni e Importanza Scientifica

La Figura A11 cattura l’evoluzione spaziale dell’SSW 2018, un evento major con split vorticale durante condizioni di attività ondulatoria intensa, che ha causato impatti prolungati sul clima, mesosfera e chimica atmosferica, inclusa la riduzione della deplezione ozonica. Le osservazioni GNSS RO sottolineano come il blocking Euro-Atlantico e i flussi EP abbiano guidato l’accoppiamento troposfera-stratosfera, migliorando la prevedibilità e fornendo insights su interazioni atmosferiche. Questo contribuisce alla comprensione degli SSW nel contesto della variabilità climatica, con potenziali collegamenti a trend a lungo termine di eventi più forti dovuti a onde planetarie invernali intensificate.

Introduzione alla Figura A12

La Figura A12, tratta dallo studio “Observational perspective on sudden stratospheric warmings and blocking from Eliassen–Palm fluxes” di Kamilya Yessimbet e collaboratori (pubblicato su Atmospheric Chemistry and Physics il 27 settembre 2024), offre un’analisi composita multidimensionale dell’evento di riscaldamento stratosferico improvviso (Sudden Stratospheric Warming, SSW) del 2018, un “major warming” di tipo wave-2 che ha segnato un significativo disturbo della circolazione stratosferica invernale nell’Emisfero Nord. Questo evento, centrato sull’11 febbraio 2018, è stato il primo major SSW dopo quattro anni di assenza (dal 2014), preceduto da un accumulo anomalo di neve in Siberia che ha amplificato le onde planetarie troposferiche, e ha portato a un rapido riscaldamento polare di oltre 30-40 K nella stratosfera media, con un rovesciamento dei venti zonali da ovest a est per circa 20-30 giorni. L’SSW 2018 ha avuto impatti profondi sul clima superficiale, inclusi cali termici estremi in Cina (fino a -18 °C pre-SSW) e Ucraina (-14 °C durante l’SSW), ondate di freddo in Europa settentrionale e orientale note come “Beast from the East”, e anomalie positive di temperatura in Nord America e Artico. Inoltre, ha influenzato la mesosfera media-latitudine con raffreddamenti e alterazioni nella circolazione, variando i livelli locali di monossido di carbonio (CO) associati a cambiamenti nelle onde planetarie (fino a un decremento significativo nella stratosfera e un aumento nella mesosfera dovuto a discese di aria ricca di CO), e ha migliorato la prevedibilità sub-stagionale, con modelli ensemble che hanno anticipato l’evento da almeno l’8 febbraio, triplicando le probabilità rispetto alla climatologia.

La figura segue la struttura della A2 (per l’SSW 2007), ma è adattata al 2018, coprendo ±30 giorni dal picco centrale. Utilizza dati ad alta risoluzione da occultazioni radio GNSS per classificare l’SSW come “assorbente”, dove le onde planetarie si dissipano nella stratosfera, portando a impatti prolungati sul clima superficiale, inclusa una propagazione discendente dell’attività ondulatoria su Canada che ha influenzato la troposfera per settimane, e una riduzione della perdita di ozono artico post-inverno grazie alla miscelazione di aria subtropicale. Questo evento ha anche mostrato una connessione con anomalie troposferiche preesistenti, come il pattern di blocking Euro-Atlantico che ha deviato il jet stream, favorendo l’ascesa delle onde e contribuendo alla “Beast from the East”, un’ondata di freddo che ha causato nevicate record e temperature minime in Regno Unito e Scandinavia.

Pannello (a): Anomalia di Temperatura (T anomaly) nella Regione Polare (65–90° N)

researchgate.net

researchgate.net

Questo pannello illustra l’evoluzione temporale e verticale delle anomalie di temperatura nella calotta polare artica, con l’asse verticale in scala logaritmica di pressione (da 1000 hPa vicino alla superficie a 10 hPa nella stratosfera alta) e un intervallo centrato sull’11 febbraio. I colori vanno dal blu (raffreddamenti fino a -30 K) al rosso (riscaldamenti fino a +30 K).

Scientificamente, si nota un’intensa anomalia positiva nella stratosfera media e alta (10-50 hPa) intorno al picco, con valori superiori a +20 K che iniziano 5-10 giorni prima e persistono per oltre due settimane, risultanti da compressione adiabatica dovuta alla convergenza di momento angolare dalle onde planetarie wave-2. Questo riscaldamento ha disperso l’aria vorticale fredda, terminando prematuramente processi chimici come l’attivazione del cloro e riducendo la deplezione ozonica, con anomalie positive di ozono correlate alla durata del riscaldamento e alla miscelazione di aria subtropicale. La propagazione verso il basso ha causato anomalie di freddo in superficie in Eurasia centrale, influenzando il jet stream e prolungando condizioni meteorologiche estreme come la “Beast from the East”, con nevicate record in Europa. Rispetto all’SSW 2007, il 2018 mostra un’anomalia più diffusa verticalmente, legata all’accumulo nevoso siberiano che ha rafforzato l’attività ondulatoria.

Pannello (b): Anomalia del Vento Zonale Medio (ū) a 60° N

acp.copernicus.org

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Qui è raffigurata l’evoluzione delle anomalie del vento zonale medio a 60° N, con colori dal blu (venti easterly fino a -60 m/s) al rosso (westerly fino a +60 m/s). La linea tratteggiata rappresenta la topografia superficiale.

Dal punto di vista scientifico, il pannello evidenzia il rovesciamento dei venti da westerly invernali a easterly intorno ai 10-30 hPa dall’11 febbraio, causato dall’accumulo di momento angolare negativo dalle onde planetarie, che ha frammentato il vortice in due lobi. Questo rovesciamento, durato 20-30 giorni, ha segnato la transizione verso una circolazione alterata, favorendo la miscelazione di aria subtropicale e la cessazione della perdita di ozono, con variazioni nel CO mesosferico dovute a isentropi inclinati. La propagazione discendente ha alterato la troposfera, influenzando il clima superficiale con temperature più miti in alcune regioni artiche ma freddo persistente in Europa orientale. Il 2018 si distingue dal 2007 per la maggiore persistenza, collegata all’accumulo nevoso siberiano e a un’onda 2 forzante che ha migliorato la prevedibilità.

Pannello (c): Flusso di Calore Meridionale Eddy (V’T’) a 100 hPa, 45–75° N

Questo grafico lineare mostra la serie temporale del flusso di calore meridionale eddy a 100 hPa, con la linea rossa solida per il 2018, tratteggiata per la climatologia, e blu per il vento zonale a 10 hPa. L’ombreggiatura grigia indica il range di variabilità.

Scientificamente, il flusso eddy riflette l’attività ondulatoria troposferica: un picco significativo prima dell’11 febbraio (intorno al 1-5 febbraio) indica l’intensificazione delle onde wave-2, amplificate dall’accumulo nevoso siberiano e dal blocking Euro-Atlantico. Questo ha contribuito alla decelerazione del vortice, e il declino post-SSW segnala l’assorbimento delle onde, con effetti sulla ionosfera come variazioni nella densità elettronica e nel CO mesosferico. Rispetto al 2007, il picco del 2018 è più pronunciato, coerente con la natura wave-2 e gli impatti troposferici estesi.

Pannello (d): Anomalia del Componente Verticale del Flusso EP (F_p anomaly), 45–75° N

researchgate.net

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Il pannello visualizza le anomalie del flusso verticale EP, con colori dal blu (negative, discesa) al rosso (positive, ascesa), e aree tratteggiate per venti zonali negativi.

Scientificamente, anomalie positive pre-picco indicano onde ascendenti che causano lo split, mentre negative post-11 febbraio suggeriscono riflessione parziale verso la troposfera su regioni come il Canada, prolungando anomalie superficiali. Questo pattern assorbente ha ridotto la deplezione ozonica e alterato il CO mesosferico, con impatti sulla qualità dell’aria. Il 2018 mostra una riflessione più marcata rispetto al 2007, legata all’accumulo nevoso siberiano.

Pannelli (e) e (f): Indici di Blocking nel Nord Pacifico (NP) e Euro-Atlantico (EA)

sciencedirect.com

wcd.copernicus.org

Questi diagrammi a barre indicano l’intensità del blocking NP (e) e EA (f), con colori arancioni/rossi per attività elevata da gennaio a marzo 2018.

Scientificamente, il blocking NP è moderato pre-evento ma debole al picco, mentre l’EA è forte e persistente, agendo come precursore che devia il jet stream e amplifica le onde. Questo ha prolungato effetti troposferici, come freddo estremo in Europa durante la “Beast from the East”. Rispetto al 2007 (NP dominante), il 2018 sottolinea il ruolo EA negli SSW wave-2.

Conclusioni e Importanza Scientifica

La Figura A12 cattura l’SSW 2018 come un evento major wave-2, influenzato dall’accumulo nevoso siberiano, con split vorticale e propagazione discendente che ha alterato il clima superficiale, la mesosfera e la chimica atmosferica. Le osservazioni GNSS RO evidenziano l’accoppiamento troposfera-stratosfera, con implicazioni per previsioni stagionali e cambiamenti climatici, dove tali eventi potrebbero intensificarsi.

Introduzione alla Figura B1

La Figura B1, tratta dallo studio “Observational perspective on sudden stratospheric warmings and blocking from Eliassen–Palm fluxes” di Kamilya Yessimbet e collaboratori (pubblicato su Atmospheric Chemistry and Physics il 27 settembre 2024), fornisce un’analisi dettagliata dell’evoluzione dei flussi di Plumb tridimensionali durante l’evento di riscaldamento stratosferico improvviso (Sudden Stratospheric Warming, SSW) del 2008, un “minor warming” caratterizzato da uno spostamento del vortice polare stratosferico (Stratospheric Polar Vortex, SPV). Questo SSW, che si è verificato tra gennaio e febbraio 2008 durante un inverno con quattro eventi SSW nel complesso, è stato influenzato da un’intensa attività ondulatoria troposferica, amplificata da configurazioni di blocking atmosferico, e ha portato a un riscaldamento polare significativo nella stratosfera media (con temperature aumentate di 10-20 K), con un rovesciamento temporaneo dei venti zonali da ovest a est. L’evento ha avuto impatti estesi sul clima superficiale, inclusi pattern di freddo in Nord America e Europa occidentale, e ha influenzato la chimica stratosferica con una temporanea riduzione della perdita di ozono artico dovuta alla dispersione dell’aria vorticale fredda, nonché risposte termiche nella termmosfera e ionosfera, con variazioni nella densità neutra e ionica osservate a livello globale.

La figura mostra l’evoluzione dei componenti verticali e zonali dei flussi di Plumb tridimensionali (rappresentati da vettori) per tre fasi temporali mediate su 3 giorni: prima dello spostamento dell’SPV (12-14 gennaio), durante lo spostamento (21-23 febbraio), e durante la fase di recupero (27-29 febbraio). I flussi di Plumb estendono i tradizionali flussi di Eliassen-Palm (EP) per includere componenti asimmetriche, offrendo una visione più completa della propagazione delle onde planetarie e del loro impatto sulla circolazione stratosferica, inclusa la generazione di anomalie di geopotenziale che deformano il vortice. I vettori sono tracciati ogni cinque livelli di longitudine e pressione, con vettori blu che indicano dove il componente verticale è negativo (flusso discendente), e l’ombreggiatura rappresenta il componente asimmetrico dell’anomalia di altezza geopotenziale, evidenziando le distorsioni non zonali del vortice polare. Questo approccio permette di analizzare come le onde planetarie abbiano guidato lo spostamento e il successivo recupero dell’SPV, un evento classificato come “riflettente” in base alla propagazione e riflessione dei flussi, con effetti che si sono estesi alla ionosfera causando variazioni nella densità elettronica.

youtube.com

ozonewatch.gsfc.nasa.gov

Pannello (a): Prima dello Spostamento dell’SPV (12-14 gennaio)

researchgate.net

researchgate.net

Questo pannello illustra lo stato atmosferico prima che lo spostamento dell’SPV diventi evidente, con vettori che rappresentano i flussi di Plumb tridimensionali e ombreggiature che mostrano le anomalie asimmetriche di altezza geopotenziale.

Dal punto di vista scientifico, in questa fase iniziale, i vettori mostrano una prevalenza di flussi ascendenti (componente verticale positiva) nella stratosfera bassa (circa 100-300 hPa), indicando un trasporto di energia e momento dalle onde planetarie troposferiche verso l’alto, amplificato da configurazioni di blocking preesistenti che deviano il jet stream. Le aree con vettori blu, dove il flusso verticale è negativo, sono limitate e si trovano principalmente nella stratosfera alta (sopra i 30 hPa), suggerendo una discesa iniziale dell’aria che inizia a perturbare la stabilità del vortice. L’ombreggiatura asimmetrica evidenzia un’elongazione del vortice polare verso l’Atlantico settentrionale, indicando che le onde stanno iniziando a deformare la struttura zonale, preparando il terreno per lo spostamento e contribuendo a variazioni termiche nella ionosfera. Questa fase riflette un accumulo di energia ondulatoria che non ha ancora raggiunto il picco di intensità, con il vortice ancora relativamente stabile ma sotto pressione da onde planetarie che si propagano da configurazioni troposferiche come il blocking euro-atlantico.

Pannello (b): Durante lo Spostamento dell’SPV (21-23 febbraio)

acp.copernicus.org

rmets.onlinelibrary.wiley.com

Questo pannello cattura il momento clou dello spostamento dell’SPV, con vettori di flusso di Plumb e ombreggiature che evidenziano le anomalie asimmetriche.

Scientificamente, durante questa fase, i vettori mostrano un’intensificazione dei flussi ascendenti nella stratosfera media (50-100 hPa), con una distribuzione più ampia e complessa dovuta alla propagazione delle onde planetarie wave-1, che deformano il vortice spostandolo verso l’Eurasia e causando un riscaldamento adiabatico intenso. Le aree con vettori blu si espandono, indicando una discesa più pronunciata dell’aria nella stratosfera alta, un segnale della riflessione parziale delle onde che contribuisce al riscaldamento polare e al rovesciamento dei venti zonali, con effetti estesi alla termmosfera dove si osservano variazioni nella densità neutra. L’ombreggiatura asimmetrica diventa più marcata, mostrando un vortice polare significativamente distorto, con un lobo principale spostato e un secondo lobo emergente, coerente con la natura riflettente dell’SSW 2008 e la sua influenza sulla ionosfera globale. Questo ha portato a un’accelerazione del jet stream troposferico e a impatti diretti sulle temperature superficiali, come il freddo in Nord America, evidenziando come i flussi di Plumb catturino la dinamica asimmetrica delle onde.

Pannello (c): Durante il Recupero dell’SPV (27-29 febbraio)

severe-weather.eu

A Stratospheric Warming event will Engulf the southern Polar Vortex, with possible far reaching Weather impacts » Severe Weather Europe

Questo pannello rappresenta la fase di recupero del vortice polare, con vettori di flusso di Plumb e ombreggiature che mostrano le anomalie asimmetriche.

Scientificamente, nella fase di recupero, i vettori indicano una diminuzione dei flussi ascendenti nella stratosfera media, con un ritorno graduale a una configurazione più zonale, suggerendo che le onde planetarie si sono dissipate o riflesse, permettendo al vortice di riformarsi. Le aree con vettori blu dominano nella stratosfera alta e si estendono verso il basso, indicando una discesa significativa dell’aria che contribuisce al ripristino del gradiente termico polare e al recupero del vortice, con effetti residui sulla ionosfera come stabilizzazione della densità ionica. L’ombreggiatura asimmetrica si riduce, mostrando un vortice che inizia a riformarsi come struttura più simmetrica, anche se ancora influenzato da residui ondulatori che prolungano impatti troposferici. Questo recupero ha favorito la stabilizzazione della circolazione stratosferica, riducendo la perdita di ozono e influenzando il clima superficiale con un ritorno a condizioni più miti in alcune regioni, coerente con la classificazione riflettente dell’evento.

Conclusioni e Importanza Scientifica

La Figura B1 illustra l’evoluzione dell’SSW 2008, un evento minor con spostamento dell’SPV guidato da flussi di Plumb tridimensionali, con una dinamica riflettente che ha portato a un riscaldamento polare e a impatti troposferici significativi, inclusi pattern di freddo e variazioni ionosferiche. Le osservazioni GNSS RO evidenziano come le onde planetarie, amplificate da blocking troposferici, abbiano deformato il vortice e influenzato la mesosfera con variazioni nel CO, migliorando la comprensione delle interazioni stratosfera-troposfera e la prevedibilità sub-stagionale. Questo contribuisce alla previsione di eventi simili e alla valutazione degli impatti climatici, con potenziali legami a trend di intensificazione degli SSW legati a forzanti ondulatori crescenti in un contesto di cambiamenti climatici.

Introduzione alla Figura B2

La Figura B2, estratta dallo studio “Observational perspective on sudden stratospheric warmings and blocking from Eliassen–Palm fluxes” di Kamilya Yessimbet e collaboratori (pubblicato su Atmospheric Chemistry and Physics il 27 settembre 2024), fornisce un’analisi dettagliata dell’evoluzione dei flussi di Plumb tridimensionali durante l’evento di riscaldamento stratosferico improvviso (Sudden Stratospheric Warming, SSW) del 2019, un “major warming” che ha coinvolto uno spostamento iniziale e uno split del vortice polare stratosferico (Stratospheric Polar Vortex, SPV) nell’Emisfero Nord. Questo SSW, iniziato a fine 2018 e culminato a inizio 2019, è stato uno degli eventi più intensi del decennio, influenzato da un’intensa attività ondulatoria troposferica amplificata da configurazioni di blocking atmosferico e da un accumulo anomalo di neve in Siberia, che ha portato a un riscaldamento polare eccezionale nella stratosfera media (con aumenti di temperatura superiori a 40-50 K), un rovesciamento dei venti zonali da ovest a est per oltre 25 giorni, e uno split del vortice in due lobi distinti (uno sull’Atlantico e uno sul Pacifico). L’evento ha avuto impatti significativi sul clima superficiale, inclusi ondate di freddo estremo in Nord America e Europa (con temperature sotto i -20 °C in alcune regioni, come la “Beast from the East 2.0” in Regno Unito), e ha influenzato la chimica stratosferica con una temporanea riduzione della perdita di ozono artico dovuta alla dispersione dell’aria vorticale fredda e ricca di cloro, oltre a perturbazioni nella mesosfera e ionosfera con variazioni nella densità elettronica e nel monossido di carbonio (CO) mesosferico, dove si è osservato un decremento nella stratosfera e un aumento nella mesosfera dovuto a discese di aria ricca di CO. Inoltre, ha mostrato una prevedibilità sub-stagionale elevata, con modelli ensemble che hanno anticipato l’evento da almeno l’8 febbraio, triplicando le probabilità rispetto alla climatologia, grazie a segnali precursori come l’attività ondulatoria amplificata.

La figura mostra l’evoluzione dei componenti verticali e zonali dei flussi di Plumb tridimensionali (rappresentati da vettori) per tre fasi temporali mediate su 3 giorni: durante lo spostamento dell’SPV (25-27 dicembre 2018), durante lo split (1-3 gennaio 2019), e dopo lo split (7-9 gennaio 2019). I flussi di Plumb, un’estensione dei flussi di Eliassen-Palm (EP), includono componenti asimmetriche per catturare la propagazione delle onde planetarie e il loro impatto sulla circolazione stratosferica, offrendo una visione dettagliata delle dinamiche ondulatorie, inclusa la generazione di anomalie di geopotenziale che deformano il vortice. I vettori sono tracciati ogni cinque livelli di longitudine e pressione, con vettori blu che indicano dove il componente verticale è negativo (flusso discendente), e l’ombreggiatura rappresenta l’anomalia del componente asimmetrico dell’altezza geopotenziale, evidenziando le distorsioni non zonali del vortice. Questo SSW è classificato come “assorbente” nella sua fase iniziale, con una transizione verso riflessioni parziali nella fase post-split, riflettendo la complessità dell’evento e la sua connessione con precursori troposferici come il blocking euro-atlantico.

acp.copernicus.org

agupubs.onlinelibrary.wiley.com

Pannello (a): Durante lo Spostamento dell’SPV (25-27 dicembre 2018)

acp.copernicus.org

acp.copernicus.org

Questo pannello illustra la fase iniziale dello spostamento dell’SPV, con vettori che rappresentano i flussi di Plumb tridimensionali e ombreggiature che mostrano le anomalie asimmetriche di altezza geopotenziale.

Dal punto di vista scientifico, in questa fase, i vettori mostrano una forte prevalenza di flussi ascendenti nella stratosfera bassa e media (100-300 hPa), indicando un trasporto vigoroso di energia e momento dalle onde planetarie troposferiche verso l’alto, amplificato da un blocking euro-atlantico persistente che ha deviato il jet stream e favorito l’accumulo di neve siberiana come precursore. Le aree con vettori blu sono limitate alla stratosfera alta (sopra i 30 hPa), suggerendo una discesa iniziale dell’aria che inizia a perturbare il vortice, con effetti sulla ionosfera come variazioni preliminari nella densità elettronica. L’ombreggiatura asimmetrica evidenzia un’elongazione del vortice polare verso l’Eurasia, con un lobo principale che si sposta, indicando che le onde wave-1 stanno deformando la struttura zonale, preparando il terreno per lo split successivo e contribuendo a un riscaldamento adiabatico iniziale. Questa fase riflette un accumulo di energia ondulatoria che culmina nello spostamento, con impatti iniziali sulle temperature superficiali che anticipano il freddo estremo in Nord America.

Pannello (b): Durante lo Split dell’SPV (1-3 gennaio 2019)

researchgate.net

acp.copernicus.org

Questo pannello cattura il momento dello split del vortice polare, con vettori di flusso di Plumb e ombreggiature che evidenziano le anomalie asimmetriche.

Scientificamente, durante questa fase, i vettori mostrano un’intensificazione e una complessità maggiore dei flussi ascendenti nella stratosfera media (50-100 hPa), con una distribuzione ampia dovuta alla propagazione delle onde planetarie wave-2, che dividono il vortice in due lobi distinti (uno sull’Atlantico e uno sul Pacifico), causando un riscaldamento adiabatico intenso e un rovesciamento dei venti zonali. Le aree con vettori blu si espandono nella stratosfera alta e si estendono verso il basso, indicando una discesa pronunciata dell’aria che riflette parzialmente le onde, contribuendo al riscaldamento polare e a perturbazioni nella mesosfera con variazioni nel monossido di carbonio (CO) mesosferico. L’ombreggiatura asimmetrica diventa più intensa, mostrando un vortice polare frammentato con due centri di bassa pressione, coerente con la natura assorbente iniziale che si trasforma in riflessioni parziali, e ha portato a ondate di freddo estremo in Europa, come la “Beast from the East 2.0”.

Pannello (c): Dopo lo Split dell’SPV (7-9 gennaio 2019)

agupubs.onlinelibrary.wiley.com

nature.com

Questo pannello rappresenta la fase post-split, con vettori di flusso di Plumb e ombreggiature che mostrano le anomalie asimmetriche.

Scientificamente, nella fase post-split, i vettori indicano una diminuzione dei flussi ascendenti nella stratosfera media, con un aumento dei flussi discendenti (vettori blu) che dominano nella stratosfera alta e si estendono verso la troposfera, suggerendo una riflessione significativa delle onde planetarie che contribuiscono al recupero parziale del vortice e a una stabilizzazione della circolazione. Questa discesa dell’aria favorisce il ripristino del gradiente termico polare e la riduzione della perdita di ozono artico attraverso la miscelazione con aria subtropicale, con effetti residui sulla ionosfera come stabilizzazione della densità elettronica. L’ombreggiatura asimmetrica si attenua, mostrando un vortice frammentato che inizia a dissiparsi, con residui ondulatori che prolungano impatti troposferici come il freddo persistente in Nord America e variazioni nel CO mesosferico. Questa fase riflette la transizione da un evento assorbente a uno con riflessioni, con effetti climatici che si estendono oltre gennaio, influenzando le previsioni stagionali.

Conclusioni e Importanza Scientifica

La Figura B2 cattura l’evoluzione dell’SSW 2019, un evento major con spostamento e split dell’SPV guidato da flussi di Plumb tridimensionali, con una dinamica che passa da assorbente a riflettente, portando a un riscaldamento polare eccezionale e impatti troposferici significativi, inclusi ondate di freddo e perturbazioni ionosferiche. Le osservazioni GNSS RO evidenziano come le onde planetarie, amplificate da blocking troposferici e accumulo nevoso siberiano, abbiano deformato il vortice e influenzato la mesosfera e ionosfera, migliorando la comprensione delle interazioni stratosfera-troposfera e la prevedibilità sub-stagionale, con modelli che triplicano le probabilità rispetto alla climatologia. Questo contribuisce alla previsione di eventi simili e alla valutazione degli impatti climatici, con potenziali legami a trend di intensificazione degli SSW legati a forzanti ondulatori crescenti in un contesto di cambiamenti climatici.