Revisiting the ENSO–SSW Relationship

Rivalutazione della Relazione tra ENSO e Riscaldamento Stratosferico Improvviso
KANGHYUN SONG E SEOK-WOO SON
Scuola di Scienze della Terra e Ambientali, Università Nazionale di Seoul, Seoul, Corea del Sud
(Manoscritto ricevuto il 9 febbraio 2017, in forma definitiva il 24 dicembre 2017)

RIASSUNTO
Gli eventi di riscaldamento stratosferico improvviso (SSW) mostrano una notevole variabilità interannuale. Basandosi sui rovesciamenti del vento zonale a 60°N e 10 hPa, è stato suggerito che gli eventi di SSW si verifichino più frequentemente durante gli inverni dell’Oscillazione Meridionale El Niño (ENSO) (inverni sia di El Niño che di La Niña) rispetto agli inverni neutri rispetto all’ENSO. Questa relazione viene rivalutata qui considerando sette diverse definizioni di SSW. Per tutte le definizioni, gli eventi di SSW sono rilevati più frequentemente durante gli inverni di El Niño rispetto agli inverni neutri dell’ENSO, in accordo con un’intensificazione dell’attività delle onde su scala planetaria. Tuttavia, una tale relazione sistematica non è stata trovata durante gli inverni di La Niña. Mentre tre definizioni di SSW, compresa quella del rovesciamento dei venti, mostrano una frequenza più alta di SSW durante gli inverni di La Niña rispetto agli inverni neutri dell’ENSO, altre definizioni non mostrano differenze o addirittura una frequenza inferiore di SSW durante gli inverni di La Niña. Questo risultato, che è qualitativamente insensibile alla scelta dei set di dati di rianalisi, degli indici ENSO e dei set di dati delle temperature superficiali del mare (SST), indica che la relazione ENSO-SSW segnalata dipende dai dettagli della definizione di SSW. Questo risultato viene interpretato in termini di differenti venti di fondo, estensione latitudinale del rovesciamento dei venti e attività delle onde su scala planetaria durante gli eventi di SSW nei periodi invernali di El Niño e La Niña.

1. Introduzione
L’Oscillazione Meridionale El Niño (ENSO) influisce non solo sulla circolazione troposferica, ma anche su quella stratosferica nell’emisfero settentrionale extratropicale (Horel e Wallace 1981; van Loon e Labitzke 1987). Sebbene l’impatto stratosferico sia relativamente minore, i cambiamenti nella circolazione stratosferica indotti dall’ENSO sono ben osservati nel vortice polare medio stagionale. In generale, durante gli inverni di El Niño il vortice polare diventa anomalamente caldo e debole, ma freddo e forte durante gli inverni di La Niña (Fig. 1a; van Loon e Labitzke 1987; Manzini et al. 2006; Calvo et al. 2008; Iza et al. 2016). Ad esempio, la differenza di temperatura stratosferica artica tra gli inverni di El Niño e di La Niña è superiore a 4 K nelle osservazioni radiosonde a lungo termine (Free e Seidel 2009). Questi cambiamenti del vortice polare correlati all’ENSO sono essenzialmente guidati da onde che si propagano verticalmente dalla troposfera alla stratosfera. Tuttavia, possono influenzare anche la troposfera sottostante attraverso un accoppiamento verso il basso, fornendo una fonte importante di previsione stagionale per l’inverno boreale nell’emisfero settentrionale extratropicale (Cagnazzo e Manzini 2009; Ineson e Scaife 2009; Butler et al. 2014).Studi recenti hanno mostrato che la relazione sopra descritta potrebbe non valere per la variabilità sub-stagionale del vortice polare (Fig. 1b). È ben documentato che gli eventi di riscaldamento stratosferico improvviso (SSW) si verificano più frequentemente durante gli inverni di El Niño rispetto agli inverni neutri rispetto all’ENSO (Taguchi e Hartmann 2006). Questo è coerente con il vortice polare anomamente debole e l’intensificata attività delle onde planetarie durante gli inverni di El Niño. Tuttavia, Butler e Polvani (2011, di seguito BP11) e Butler et al. (2014, di seguito BPD14) hanno riportato che tale aumento della frequenza degli SSW si riscontra anche durante gli inverni di La Niña. In altre parole, gli eventi SSW tendono a verificarsi più preferenzialmente durante entrambi gli inverni di El Niño e di La Niña (inverni ENSO) rispetto agli inverni neutri rispetto all’ENSO. A supporto di questa scoperta, il vortice polare mostra una variabilità accresciuta durante sia gli inverni di El Niño che di La Niña rispetto agli inverni neutri rispetto all’ENSO (Fig. 1b). Questo è in netto contrasto con una relazione lineare tra l’ENSO e la forza media stagionale del vortice polare (Fig. 1a). Gli eventi SSW più frequenti durante gli inverni ENSO rispetto agli inverni neutri rispetto all’ENSO sono stati spiegati da differenti risposte delle onde planetarie all’ENSO (Garfinkel et al. 2012; Li e Lau 2013). Durante gli inverni di El Niño, le onde con numero d’onda zonale 1 (k = 1) sono potenziate nella stratosfera inferiore, aumentando la probabilità di rottura del vortice polare. Sebbene le onde k = 1 siano piuttosto deboli durante gli inverni di La Niña, le onde con numero d’onda zonale 2 (k = 2) spesso diventano anomalamente forti durante gli inverni di La Niña, distorcendo il vortice polare (Garfinkel et al. 2012; Li e Lau 2013; Barriopedro e Calvo 2014).

La relazione ENSO-SSW documentata in BP11 e BPD14, tuttavia, è alquanto dubbia. Polvani et al. (2017) hanno recentemente segnalato che, mentre gli eventi SSW potenziati durante gli inverni di El Niño sono robusti, i cambiamenti relativi degli eventi SSW durante gli inverni di La Niña sono in qualche modo dipendenti dalla scelta dei dati sulla temperatura superficiale del mare (SST). Gli studi di modellazione non mostrano neanche un aumento sistematico della frequenza degli SSW durante gli inverni di La Niña. Taguchi e Hartmann (2006) hanno riferito che negli scenari del loro modello gli eventi SSW si verificano con una frequenza doppia durante gli inverni di El Niño rispetto agli inverni di La Niña, sottovalutando la variabilità stratosferica. Un risultato qualitativamente simile è stato trovato anche in Polvani et al. (2017).

Per comprendere meglio la relazione ENSO-SSW, il presente studio riesamina le statistiche degli SSW nei dataset di rianalisi a lungo termine. Specificamente, sette diverse definizioni di SSW, che sono state utilizzate nella letteratura, vengono applicate a due diversi dataset di rianalisi e SST. Si è scoperto che la relazione ENSO-SSW è altamente sensibile alla definizione di SSW, e ciò è parzialmente causato da differenti flussi di fondo e attività delle onde su scala planetaria durante gli eventi SSW degli inverni di El Niño e La Niña.

La Figura 1 illustra il profilo latitudinale delle anomalie del vento zonale medio-zonale a 10 hPa durante gli inverni di El Niño, La Niña, e ENSO-neutral:

• (a) Media stagionale: Il grafico mostra che durante gli inverni di El Niño (linea rossa), il vento è tipicamente più debole nelle latitudini polari (60°N – 90°N) e più forte nelle latitudini medie (circa 50°N). In contrasto, durante gli inverni di La Niña (linea blu), il vento è più forte nelle latitudini polari e più debole nelle latitudini medie, indicando un vortice polare più robusto e meno disturbato. Nei periodi ENSO-neutrali (linea grigia), il profilo del vento è meno estremo, con variazioni più moderate attraverso le latitudini, suggerendo un vortice polare relativamente stabile.
• (b) Deviazione standard giornaliera: Questa parte del grafico rappresenta la variabilità giornaliera del vento zonale a 10 hPa durante la stagione. Durante gli inverni di El Niño, la variabilità è maggiore nelle latitudini medie e minore alle latitudini più alte, indicando un vortice polare meno stabile e più suscettibile a disturbi. Durante gli inverni di La Niña, si osserva una maggiore variabilità alle latitudini polari, suggerendo un vortice più disturbato in queste regioni. Nei periodi ENSO-neutrali, la variabilità del vento è generalmente più bassa, il che corrisponde a un vortice polare più stabile.

Questi grafici sono fondamentali per comprendere come le condizioni di El Niño e La Niña influenzino la circolazione stratosferica, evidenziando gli effetti distinti sul vortice polare, che possono trasferirsi ai pattern climatici delle latitudini medie e alte.

2. Dati e metodi I Centri Nazionali per la Previsione Ambientale (NCEP)–Centro Nazionale per la Ricerca Atmosferica (NCAR) Reanalysis (NNR; Kalnay et al. 1996) e il Reanalysis Giapponese di 55 Anni (JRA-55; Kobayashi et al. 2015) sono stati esaminati dal 1958 al 2014. Questi dataset sono stati scelti perché offrono registrazioni più lunghe rispetto ad altri dataset di reanalisi. Per un confronto equo, è stata utilizzata una risoluzione comune di 2.5° x 2.5° per entrambi i dataset. Per essere confrontato con BP11 e BPD14, l’NNR è stato impostato come dati di riferimento, e è stato condotto un test di sensibilità alla scelta dei dati di reanalisi con JRA-55. Per l’ENSO, è stato utilizzato il dato della temperatura superficiale del mare ricostruita estesa versione 3b (ERSST) (Smith et al. 2008) del Centro di Previsione Climatica (CPC) dell’Amministrazione Nazionale Oceanica e Atmosferica (NOAA). Per testare la sensibilità alla SST, è stata inoltre utilizzata la versione più aggiornata di ERSST (Huang et al. 2017; versione 5 di ERSST).

a. Definizioni di SSW Varie definizioni di SSW sono state utilizzate nella letteratura (Butler et al. 2015; Martineau e Son 2015; Palmeiro et al. 2015). Come riassunto nella Tabella 1, l’SSW è stato identificato utilizzando il vento zonale medio zonale a una latitudine selezionata, il vento zonale medio zonale medio o l’altezza geopotenziale, la modalità principale di variabilità, o una combinazione di molteplici variabili. Sebbene 10 hPa sia il livello più comune, anche 50 o addirittura 100 hPa sono stati utilizzati per quantificare la variabilità del vortice polare. Le definizioni più ampiamente utilizzate, la cosiddetta definizione dell’Organizzazione Meteorologica Mondiale (WMO) e la sua versione semplificata (Charlton e Polvani 2007), si basano sulla inversione del vento zonale medio zonale a 10 hPa a 60°N. Poiché 60°N non rappresenta necessariamente il bordo del vortice polare, il vento zonale medio zonale a 65°N (Butler et al. 2015) o a qualsiasi latitudine da 55° a 70°N è stato anche utilizzato (Palmeiro et al. 2015).Seguendo Butler et al. (2015), sette diverse definizioni di SSW, che includono quella usata in BP11 e BPD14 (ossia, la definizione U60), sono considerate in questo studio (vedi Tabella 1). Esse sono le definizioni WMO, U60, U65, U6090, Z6090, EOFU e 2DM. Qui le definizioni WMO, U60, Z6090, e 2DM sono identiche rispettivamente alle definizioni U&T, CP07, ZPOL e MOM in Butler et al. (2015). Gli eventi SSW rilevati per ogni definizione sono elencati nella Tabella ES2 di Butler et al. (2015). Un’eccezione è l’evento SSW U60 del 7 gennaio 1968. Questo evento è escluso in questo studio perché non è rilevato come un evento SSW nell’ultima versione di NNR (A. H. Butler 2017, comunicazione personale; vedi anche la nota a piè di pagina sulla pagina 3 di BPD14).Sia la definizione WMO che la definizione U60 considerano l’inversione del vento zonale medio zonale a 60°N e 10 hPa. Sebbene la prima abbia una restrizione aggiuntiva del cambiamento del gradiente di temperatura meridionale, queste due definizioni mostrano una frequenza simile e una data di inizio degli eventi SSW (Tabella 1). Le definizioni U65 e U6090 sono simili alla definizione U60 ma utilizzano il vento zonale medio zonale rispettivamente a 65°N e il vento zonale medio zonale medio su un’area di 60°-90°N. La definizione Z6090 utilizza l’anomalia dell’altezza geopotenziale del cappuccio polare. A differenza delle altre definizioni, la definizione EOFU impiega un metodo statistico. In questa definizione, l’inizio dell’SSW è rilevato utilizzando la modalità principale di variabilità extratropicale del vento zonale medio zonale a 50 hPa. L’ultima definizione, 2DM, si basa sulla diagnostica dei momenti bidimensionali. Specificamente, rileva gli eventi SSW calcolando un rapporto di aspetto e una latitudine del centroide del vortice polare nei campi dell’altezza geopotenziale a 10 hPa. Poiché questa definizione si concentra sulla morfologia del vortice polare, potrebbe non essere direttamente confrontabile con altre definizioni basate sulla diagnostica zonale media.

È da notare che il numero di eventi SSW differisce sostanzialmente tra le definizioni (Tabella 1). Mentre la definizione U6090 rileva il numero maggiore di eventi SSW (37), la definizione EOFU rileva il numero minore di eventi SSW (26). Quando si considerano solo le definizioni a 10 hPa (ossia le prime cinque definizioni nella Tabella 1), la definizione WMO mostra una frequenza minima di SSW.

La Tabella 1 elenca diverse definizioni di eventi di riscaldamento stratosferico improvviso (SSW), mostrando il numero di eventi rilevati per ciascuna definizione e descrivendo i criteri specifici utilizzati per identificare un evento SSW:

1. WMO (33 eventi): Rileva un SSW quando il vento zonale medio zonale a 60°N e 10 hPa scende sotto 0 m/s. Non considera variazioni del gradiente di temperatura meridionale entro 10 giorni dalla reversibilità del vento.
2. U60 (35 eventi): Simile a WMO, ma omette la considerazione del gradiente di temperatura meridionale.
3. U65 (44 eventi): Utilizza l’inversione del vento zonale medio zonale a 65°N come criterio.
4. U6090 (46 eventi): Identifica un SSW attraverso la media del vento zonale medio zonale tra 60° e 90°N.
5. Z6090 (37 eventi): Rileva un SSW quando l’anomalia dell’altezza geopotenziale tra 60° e 90°N a 10 hPa supera le tre deviazioni standard della media di gennaio-marzo.
6. EOFU (26 eventi): Definisce un SSW quando la componente principale della variabilità extratropicale del vento zonale medio zonale tra 20° e 90°N a 50 hPa è inferiore a tre deviazioni standard.
7. 2DM (28 eventi): Basata su diagnostica dei momenti bidimensionali, rileva un SSW calcolando il rapporto di aspetto e la latitudine del centroide del vortice polare nei campi dell’altezza geopotenziale a 10 hPa.

Queste definizioni evidenziano come diversi approcci metodologici possano portare a risultati significativamente differenti nella rilevazione della frequenza e delle caratteristiche degli eventi SSW.

b. Definizioni di ENSO

ENSO è determinato dall’indice Niño-3.4 (ossia, anomalia della temperatura superficiale del mare media su 5°N–5°S e 170°W–120°W). Per definire oggettivamente la sua fase, sono adottate due soglie (Tabella 2). In primo luogo, viene utilizzata la convenzione del NCEP-CPC, denominata definizione CPC, come in BPD14. Specificamente, gli inverni El Niño e La Niña sono definiti come gli inverni quando la media stagionale in esecuzione dell’indice Niño-3.4 supera consecutivamente 0.5 K per almeno cinque stagioni. Gli altri inverni sono semplicemente considerati inverni neutri ENSO. Un totale di 19 e 18 inverni sono identificati rispettivamente come inverni El Niño e La Niña. Se si utilizza ERSSTv5 (CPCv5), sono identificati 20 inverni El Niño e 18 La Niña. In secondo luogo, ENSO è definito semplicemente dall’indice medio stagionale Niño-3.4 da novembre a marzo (NDJFM). In questa definizione, chiamata definizione SIMPLE, gli inverni El Niño e La Niña sono definiti quando l’indice Niño-3.4 medio NDJFM supera 0.5 K come in BP11. Questa definizione porta a inverni ENSO leggermente diversi rispetto alla definizione CPC. In totale, 16 e 20 inverni sono identificati rispettivamente come inverni El Niño e La Niña.

La definizione CPC per i dati ERSSTv3b è impostata come riferimento in questo studio. La definizione SIMPLE è utilizzata per testare la sensibilità delle statistiche SSW alla definizione di ENSO. Sebbene non mostrato, sono stati testati anche diversi valori di soglia (ad es., 0.6 e 0.7 K) per entrambe le definizioni CPC e SIMPLE. Risulta che i risultati complessivi non sono sensibili ai valori di soglia [BP11; vedi anche Taguchi (2015)].

I due diversi tipi di El Niño [ossia, Pacifico centrale (CP) e Pacifico orientale (EP)] sono considerati brevemente (ad es., Yeh et al. 2014). Sono classificati confrontando gli indici medio NDJFM Niño-3 e Niño-4. Se il primo è maggiore del secondo per l’inverno El Niño selezionato, è classificato come El Niño EP. Allo stesso modo, se il secondo è maggiore del primo, è impostato come El Niño CP. Si noti che questo è uno degli approcci più semplici. Varie definizioni sono state utilizzate per determinare l’El Niño CP nella letteratura (ad es., Garfinkel et al. 2013). Di conseguenza, il confronto degli inverni El Niño CP e EP in questo studio dovrebbe essere preso solo qualitativamente.

La Tabella 2 presenta due definizioni di ENSO utilizzate in questo studio per identificare gli eventi climatici:

1. Definizione CPC: ENSO è identificato quando l’indice Niño-3.4 supera +0.5 K per almeno cinque stagioni consecutive, seguendo la convenzione del NCEP-CPC. Questa definizione enfatizza la persistenza dell’anomalia termica per classificare gli eventi come El Niño o La Niña.
2. Definizione SIMPLE: ENSO è rilevato quando la media dell’indice Niño-3.4 da novembre a marzo (NDJFM) supera +0.5 K. Questa definizione si concentra su un’analisi più immediata e stagionale, senza richiedere la continuità attraverso molteplici stagioni.

Entrambe le definizioni impiegano la stessa soglia di anomalia termica di +0.5 K per determinare la presenza di ENSO, ma differiscono nel modo in cui misurano il tempo e la durata dell’anomalia, influenzando la frequenza con cui gli eventi El Niño e La Niña vengono identificati.

c. Test di significatività

La significatività statistica della relazione tra ENSO e SSW è testata con il metodo bootstrap. Gli eventi SSW rilevati sono distribuiti casualmente su 57 inverni dal 1958 al 2014. Questo campionamento casuale è ripetuto 1000 volte per generare la funzione di densità di probabilità (PDF) della relazione ENSO-SSW. Utilizzando questa PDF, si verifica se la frequenza degli SSW durante gli inverni El Niño o La Niña è statisticamente diversa dalla frequenza degli SSW durante gli inverni neutri ENSO. Questo approccio è sostanzialmente lo stesso di BP11. La significatività statistica dei campi compositi è determinata semplicemente utilizzando il test t di Student a due code.

3. Risultati

La Figura 2 presenta le statistiche degli SSW per sette definizioni di SSW. Il dataset NNR insieme all’indice ENSO del CPC è utilizzato. In questa figura, sia il numero di eventi SSW che la loro frequenza relativa sono mostrati come in Taguchi (2015). La frequenza è definita dividendo il numero di eventi SSW per il numero di inverni selezionati per una data fase ENSO. Poiché possono verificarsi più eventi SSW in un inverno, la frequenza degli SSW può essere superiore al 100%. Le definizioni WMO e U60 mostrano statistiche SSW simili. Come descritto in BP11 e BPD14, gli eventi SSW si verificano più frequentemente non solo durante gli inverni El Niño ma anche durante gli inverni La Niña, con una frequenza leggermente superiore durante gli inverni El Niño. Più quantitativamente, la frequenza degli SSW è circa del 70%-80% durante gli inverni ENSO, ma solo del 35% durante gli inverni neutri ENSO (Fig. 2b). Questo risultato, che è essenzialmente un’estensione incrementale di BP11 e BPD14 all’inverno 2013/14, riafferma la relazione non monotona tra ENSO e la frequenza degli SSW nella definizione U60 (BP11; BPD14).

Eventi SSW più frequenti durante gli inverni El Niño sono trovati anche in altre definizioni. Infatti, sebbene non sempre statisticamente significativo, tutte e sette le definizioni mostrano coerentemente una frequenza SSW più alta durante gli inverni El Niño rispetto agli inverni neutri ENSO. Tuttavia, gli inverni La Niña non mostrano alcuna relazione sistematica. Mentre la frequenza degli SSW durante gli inverni La Niña è superiore alla norma in alcune definizioni (ad esempio, WMO e U60), è comparabile (ad esempio, U65 e U6090) o leggermente inferiore alla norma in altre definizioni (ad esempio, Z6090 o EOFU). La definizione 2DM mostra addirittura eventi SSW più frequenti durante gli inverni La Niña rispetto ad altri inverni.I risultati evidenziano chiaramente che la relazione tra ENSO e SSW, specialmente il rapporto tra la frequenza degli SSW durante gli inverni La Niña e quella durante gli inverni neutri ENSO, dipende dai dettagli della definizione di SSW. La loro relazione può essere grossolanamente raggruppata in due gruppi. Il primo gruppo, composto dalle definizioni WMO, U60 e 2DM, mostra eventi SSW più frequenti durante gli inverni ENSO rispetto agli inverni neutri ENSO, mentre il secondo gruppo, che include le definizioni U65, U6090, Z6090 e EOFU, mostra eventi SSW più frequenti solo durante gli inverni El Niño. In quest’ultimo gruppo, la frequenza degli SSW durante gli inverni La Niña non è statisticamente separabile dalla frequenza degli SSW durante gli inverni neutri ENSO nemmeno al livello di confidenza del 90%. Un confronto diretto tra questi due gruppi non è semplice perché ogni definizione utilizza variabili e metodologie diverse.

Per un confronto diretto, due definizioni rappresentative sono scelte in questo studio: le definizioni U60 e U65. Queste due definizioni differiscono solo per la latitudine di riferimento. Spostando la latitudine di riferimento di solo 5° verso il polo, la definizione U65 rileva quattro e sei eventi SSW in più rispettivamente durante gli inverni El Niño e neutri ENSO, ma sostanzialmente lo stesso (un evento SSW in meno) durante gli inverni La Niña (Fig. 2). Il risultato netto è una frequenza SSW comparabile tra gli inverni neutri ENSO e La Niña nella definizione U65. Questo contrasta con gli eventi SSW più frequenti durante gli inverni La Niña rispetto agli inverni neutri ENSO nella definizione U60.

Cosa causa la diversa relazione ENSO-SSW tra le definizioni U60 e U65? La Figura 3 presenta l’evoluzione temporale del vento zonale medio zonale a 10 hPa a 60°N (Fig. 3a) e a 65°N (Fig. 3b) durante i quattro inverni El Niño in cui gli eventi SSW sono rilevati dalla definizione U65 ma non dalla U60. I due eventi SSW comuni (X blu e rossi nella Fig. 3a) appaiono quasi nelle stesse date. Tuttavia, nella definizione U65, vengono rilevati quattro ulteriori eventi SSW (X nella Fig. 3b). Questi eventi mostrano un vento zonale medio zonale vicino a zero a 60°N, ma non venti di direzione est. Ad esempio, l’evento SSW U65 nel febbraio 1958 (seconda X rossa nella Fig. 3b) deriva dalla decelerazione del vento zonale a 65°N da 16 a 22 m/s in due settimane. Una decelerazione simile si trova anche a 60°N. Tuttavia, la decelerazione è più debole (da 13 a 1 m/s) e non porta a una inversione del vento (Fig. 3a). Un risultato simile si trova anche nel gennaio 1977 e nel febbraio 1995 (X gialla e verde nella Fig. 3b). Sebbene la decelerazione del vento zonale sia forte a 60°N, il vento zonale non attraversa la linea dello zero. In questi due casi, i venti zonali minimi a 60°N sono rispettivamente di 0,02 e 0,3 m/s. Questi risultati indicano chiaramente che le diverse frequenze di eventi SSW di El Niño inverno tra le definizioni U60 e U65 sono semplicemente causate dal problema della soglia. Se la definizione U60 utilizzasse una velocità del vento soglia di alcuni metri al secondo piuttosto che 0 m/s (inversione del vento), le sue statistiche SSW diventerebbero quantitativamente simili a quelle della definizione U65.Questo risultato implica che un evento di riscaldamento minore in una definizione può essere un evento di riscaldamento maggiore in un’altra definizione cambiando leggermente la latitudine di riferimento o il valore della soglia. Anche se non mostrato, risultati sostanzialmente identici si trovano durante gli inverni neutri ENSO. Il comportamento della soglia sopra descritto non esiste negli eventi SSW degli inverni La Niña, almeno nelle definizioni U60 e U65 (Fig. 2). Questa differenza è in parte causata dalla diversa estensione latitudinale dell’inversione del vento durante gli eventi SSW degli inverni El Niño e La Niña (cf. linee rosse nelle Fig. 4a, c). La latitudine più bassa dell’inversione del vento, entro 20 giorni dall’inizio degli eventi SSW U65, è 46.08°N ± 7.48 durante gli inverni La Niña ma 53.58°N ± 8.58 durante gli inverni El Niño (55.68°N ± 7.88 per gli inverni neutri ENSO). Nel calcolo di queste latitudini, gli eventi SSW in cui la latitudine dell’inversione del vento si estende ai subtropici e viene influenzata dall’oscillazione quasi-biennale sono scartati. Due casi per gli inverni La Niña e cinque casi per gli inverni sia El Niño che neutri ENSO sono esclusi.

Questo risultato indica che l’inversione del vento durante gli inverni La Niña è più ampia in latitudine (da circa 46°N al polo) rispetto a quella durante gli inverni El Niño (da circa 54°N al polo). Dato il fatto che la latitudine dell’inversione del vento varia ampiamente tra gli eventi, il rilevamento degli eventi SSW degli inverni El Niño (e degli inverni neutri ENSO) può essere sensibile alla scelta della latitudine di riferimento di 60° o 65°N. Tuttavia, gli eventi SSW degli inverni La Niña, che sono associati a un’inversione del vento più ampia in latitudine, possono essere ben rilevati sia dalle definizioni U60 che U65.La Figura 4 illustra l’evoluzione temporale del vento zonale medio zonale a 10 hPa e del flusso di calore turbolento medio zonale a 100 hPa come funzione dello sfasamento temporale rispetto alle date di inizio degli SSW U65. Qui, il flusso di calore turbolento è utilizzato per quantificare un’energia ondulatoria che si propaga verticalmente e che può portare all’evento SSW (ad es., Polvani e Waugh 2004). Il vento di fondo (precedente a uno sfasamento di -210 giorni) negli inverni El Niño è più debole rispetto a quello negli inverni La Niña (Fig. 4e; vedi anche Fig. 1a). Una tale differenza, che è statisticamente significativa al livello di confidenza del 95%, è coerente con un’attività ondulatoria planetaria più forte durante gli inverni El Niño rispetto agli inverni La Niña dallo sfasamento di -240 a -220 giorni [colonna di destra della Fig. 4; vedi anche Taguchi e Hartmann (2006) e Calvo et al. (2008)]. Il vortice polare relativamente debole può quindi permettere un’inversione del vento più facilmente con una moderata forzatura ondulatoria. Infatti, l’attività ondulatoria massima associata agli eventi SSW degli inverni El Niño è relativamente più debole rispetto a quella degli eventi SSW degli inverni La Niña dallo sfasamento di -215 a 0 giorni (cf. Fig. 4b e 4d; vedi anche Fig. 5).

Un’altra importante differenza nell’attività ondulatoria mostrata nelle Fig. 4b e 4d è la latitudine centrale dell’attività ondulatoria. L’attività ondulatoria massima si trova a latitudini leggermente più alte durante gli eventi SSW degli inverni El Niño (Fig. 4b) rispetto agli eventi SSW degli inverni La Niña (Fig. 4d). Sebbene non sia statisticamente significativo, la loro differenza mostra chiaramente un modello dipolare a circa 70°N prima dell’inizio degli eventi SSW (Fig. 4f). Più quantitativamente, il flusso di calore turbolento massimo, integrato su 40 giorni prima dell’inversione del vento alla latitudine più bassa, si trova a circa 70.1°N durante gli eventi SSW El Niño ma a circa 61.1°N durante gli eventi SSW La Niña. Qui, sono considerati solo gli eventi SSW utilizzati nel calcolo delle latitudini di inversione del vento.

Questo risultato, che è ulteriormente riassunto nella Figura 5 dallo sfasamento di -215 a 0 giorni, è coerente con la diversa estensione dell’inversione del vento durante gli inverni El Niño e La Niña. Una forzatura ondulatoria piuttosto debole alle latitudini più alte probabilmente porta a un’inversione del vento ristretta durante gli eventi SSW degli inverni El Niño (e neutri ENSO). Questo contrasta con un’inversione del vento ampia causata da una forte forzatura ondulatoria a latitudini relativamente più basse durante gli eventi SSW degli inverni La Niña. Sebbene la relazione lineare tra la latitudine minima dell’inversione del vento e la latitudine massima del flusso di calore sia piuttosto debole (coefficiente di correlazione di 0,25), questo risultato suggerisce che la latitudine di azione dell’onda è uno dei fattori che determina l’ampiezza latitudinale dell’inversione del vento.

La diversa attività ondulatoria, mostrata nelle Figure 4b e 4d, risulta da diversi contributi delle onde k = 1 e k = 2. La Figura 5 mostra che gli eventi SSW degli inverni El Niño sono in gran parte guidati dalle onde k = 1, mentre gli eventi SSW degli inverni La Niña sono guidati sia dalle onde k = 1 che k = 2. Questa differenza, che potrebbe spiegare la diversa estensione latitudinale dell’inversione del vento tra gli eventi SSW degli inverni El Niño e La Niña, è coerente con studi precedenti. Garfinkel et al. (2012) hanno mostrato che le onde k = 1 sono potenziate alle alte latitudini durante gli inverni El Niño (vedi la loro Figura 3). Durante gli inverni La Niña, le onde k = 2 sono rafforzate a basse latitudini. Integrando il modello che risolve la stratosfera con anomalie SST prescritte, Taguchi e Hartmann (2006) hanno mostrato che le onde k = 1 sono potenziate intorno a 65°N in risposta alla forzatura SST simile a El Niño. Al contrario, durante gli inverni La Niña, l’ampiezza delle onde k = 2 diventa più forte intorno a 55°N. Calvo et al. (2008) hanno anche documentato un’attività ondulatoria planetaria più intensa durante gli inverni El Niño rispetto agli inverni La Niña, in particolare alle alte latitudini.

La Figura 2 fornisce un’analisi dettagliata degli eventi di Riscaldamento Stratosferico Improvviso (SSW) in relazione ai diversi contesti climatici di El Niño, ENSO-neutro e La Niña, utilizzando diverse definizioni di SSW. Questa figura include due grafici principali:

1. (a) Numero di eventi SSW:
   • Questo grafico a barre illustra il numero di eventi SSW osservati per ciascuna delle sette definizioni di SSW (WMO, U60, U65, U6090, Z6090, EOFU, 2DM) durante gli inverni caratterizzati da El Niño, ENSO-neutro e La Niña.
   • Le barre mostrano differenze significative nel numero di eventi tra i vari tipi di inverni per ogni definizione, evidenziando come alcune definizioni, come U60 e U65, tendono a registrare più eventi durante gli inverni El Niño.
2. (b) Frequenza degli eventi SSW:
   • Il secondo grafico mostra la frequenza percentuale degli eventi SSW, calcolata dividendo il numero di eventi per il numero totale di inverni considerati per ciascuna fase ENSO.
   • Ogni gruppo di barre è colorato per rappresentare i diversi contesti ENSO: blu per El Niño, grigio per ENSO-neutro, e rosso per La Niña.
   • I valori che raggiungono una significatività statistica al 90% e 95% sono indicati con uno e due asterischi, rispettivamente, suggerendo dove le differenze nelle frequenze degli eventi SSW sono statisticamente robuste.

Complessivamente, la Figura 2 mette in evidenza come la frequenza e il numero degli eventi SSW varino notevolmente a seconda della stagione ENSO e della definizione di SSW impiegata, sottolineando l’impatto significativo delle variazioni climatiche stagionali sul comportamento della stratosfera.

La Figura 3 illustra l’evoluzione temporale del vento zonale medio zonale a 10 hPa durante gli inverni El Niño, concentrandosi su due specifiche latitudini:

1. (a) 60°N: Questo grafico mostra le variazioni del vento zonale medio zonale a questa latitudine attraverso diversi anni specifici (1958, 1976/1977, 1992/1993, 2002/2003), ognuno rappresentato da una linea colorata diversa. Le fluttuazioni del vento zonale sono illustrate chiaramente, fornendo un’immagine visiva di come il vento cambia nel tempo durante questi inverni selezionati.
2. (b) 65°N: Simile al pannello (a), ma focalizzato sulla latitudine di 65°N. Anche qui, le diverse curve colorate rappresentano gli stessi anni del pannello (a), esponendo le dinamiche del vento zonale a una latitudine leggermente superiore.

In entrambi i pannelli, il momento dell’inizio di ogni evento SSW è marcato con un segno “X”. Questi eventi SSW sono quelli identificati dalla definizione U65 ma non dalla U60, indicando che la definizione U65 è sensibile a eventi che la U60 non rileva, a causa delle diverse latitudini di riferimento utilizzate nelle definizioni.

Questi grafici sono essenziali per comprendere come piccole differenze nella latitudine di riferimento tra le definizioni di SSW (U60 vs U65) possono portare a significative differenze nella rilevazione degli eventi. Mostrano l’importanza di considerare attentamente la latitudine nella definizione e nel rilevamento degli eventi SSW, specialmente in relazione a come il vento zonale può variare significativamente a latitudini simili ma distintamente diverse durante gli inverni influenzati dal fenomeno El Niño.

La Figura 4 visualizza una serie di grafici che mostrano l’evoluzione temporale del vento zonale medio zonale a 10 hPa e del flusso di calore turbolento medio zonale a 100 hPa durante gli eventi SSW definiti dalla U65 per gli inverni El Niño e La Niña, oltre alle differenze tra questi due contesti. I dettagli di ciascun pannello sono:

1. (a) e (b) per gli inverni El Niño:
   • (a) Vento zonale medio zonale a 10 hPa: Le linee di contorno indicano la forza e la direzione del vento a varie latitudini. La linea di vento zero è marcata con contorni rossi.
   • (b) Flusso di calore turbolento a 100 hPa: Mostra l’intensità e la distribuzione del flusso di calore turbolento, essenziale per capire l’energia delle onde che influenzano la stratosfera.
2. (c) e (d) per gli inverni La Niña:
   • (c) Vento zonale medio zonale a 10 hPa: Simile a (a), rappresenta le variazioni del vento zonale durante gli inverni La Niña.
   • (d) Flusso di calore turbolento a 100 hPa: Simile a (b), illustra il flusso di calore durante questi inverni, mettendo in luce le differenze rispetto agli inverni El Niño.
3. (e) e (f) Differenze tra El Niño e La Niña SSW:
   • (e) Differenze nel vento zonale: Evidenzia le differenze tra gli inverni El Niño e La Niña, con le aree statisticamente significative ombreggiate.
   • (f) Differenze nel flusso di calore turbolento: Mostra le differenze nel flusso di calore tra i due tipi di inverni, con le differenze significative anch’esse ombreggiate.

Le aree ombreggiate nei grafici denotano dove i valori sono statisticamente diversi dalla climatologia a lungo termine al livello di confidenza del 95%. Le linee orizzontali indicano le latitudini di riferimento di 60° e 65°N e le linee verticali la data di inizio degli eventi SSW.

Questa figura è fondamentale per comprendere come le caratteristiche del vento zonale e del flusso di calore differiscano notevolmente tra gli inverni influenzati da El Niño e La Niña, fornendo una chiara visualizzazione dell’impatto di questi fenomeni sugli eventi SSW.

4. Test di Sensibilità

La sensibilità dei risultati sopra descritti alla scelta dei dataset di reanalisi, degli indici ENSO e dei dataset delle SST viene esaminata in questa sezione. I risultati complessivi sono riassunti nella Figura 6 per entrambe le definizioni U60 e U65. È evidente dalla Figura 6a che il rapporto relativo tra la frequenza degli SSW degli inverni ENSO e degli inverni neutri ENSO non cambia molto quando si utilizzano diversi indici ENSO (definizioni CPC vs SIMPLE). Anche la sua sensibilità alla scelta dei dati SST (CPC vs CPCv5) è relativamente minore.

È importante notare che la significatività statistica è in qualche modo sensibile ai dataset. La frequenza degli SSW degli inverni La Niña diminuisce leggermente quando viene utilizzato l’indice ENSO SIMPLE, mentre la frequenza degli SSW degli inverni neutri ENSO aumenta leggermente (casella centrale nella Figura 6a). Questo porta a una frequenza degli SSW statisticamente indistinguibile tra gli inverni La Niña e quelli neutri ENSO.

La relazione ENSO-SSW è anche solo debolmente sensibile alla scelta dei dataset di reanalisi (cf. Figure 6a,b). Tuttavia, la significatività statistica diventa inferiore nel JRA-55 rispetto al NNR. I valori significativi, ottenuti con l’indice ENSO SIMPLE, diventano anche statisticamente insignificanti se il periodo di analisi viene accorciato o se viene conteggiato solo un evento SSW per un dato inverno. Questi risultati indicano che la relazione ENSO-SSW, riportata in questo studio, è solo marginalmente significativa.Il rapporto tra El Niño e gli eventi SSW è ulteriormente esplorato considerando due diversi tipi di El Niño, il CP El Niño e l’EP El Niño (Yeh et al. 2014). Iza e Calvo (2015) hanno riportato che non vi è una modulazione significativa della frequenza degli SSW da parte dei due tipi di El Niño. In accordo con il loro ritrovamento, gli eventi SSW degli inverni El Niño non sono influenzati in modo specifico né dalle anomalie SST di Niño-3 né da quelle di Niño-4, in entrambe le definizioni U60 e U65 (non mostrato). Tuttavia, questo risultato deve essere interpretato con cautela poiché potrebbe essere sensibile ai dataset e alle definizioni di CP e EP El Niño. Hegyi et al. (2014), ad esempio, non hanno mostrato una relazione distinta tra il riscaldamento stratosferico polare e i tipi di El Niño nelle loro simulazioni di modello. Questo risultato è in contrasto con gli studi di modellazione di Garfinkel et al. (2013) e Calvo et al. (2017), i quali hanno riportato eventi SSW più frequenti durante gli inverni di EP El Niño rispetto agli inverni di CP El Niño. Per comprendere meglio questi risultati, sarebbero necessarie ulteriori analisi con una simulazione di modello climatico a lungo termine.

La Figura 6 mostra la frequenza degli eventi di Riscaldamento Stratosferico Improvviso (SSW) durante gli inverni ENSO, utilizzando due set di dati di reanalisi (NNR e JRA-55) e tre diversi indici ENSO (CPC, SIMPLE, e CPCv5). Questa figura è organizzata in due pannelli principali, ognuno dei quali esplora l’impatto delle definizioni SSW U60 e U65 e degli indici ENSO sulla frequenza degli eventi SSW:

1. (a) Frequenza SSW nel dataset NNR:
   • Questo pannello presenta la frequenza percentuale degli eventi SSW per le definizioni U60 e U65, utilizzando gli indici ENSO CPC, SIMPLE e CPCv5.
   • Le barre rosse indicano gli inverni El Niño, le barre blu gli inverni ENSO-neutri, e le barre grigie gli inverni La Niña.
   • È evidente una variazione della frequenza degli eventi SSW tra le diverse combinazioni di indici ENSO e definizioni di SSW.
2. (b) Frequenza SSW nel dataset JRA-55:
   • Analogamente al pannello (a), ma utilizzando il dataset di reanalisi JRA-55.
   • Le barre continuano a rappresentare la frequenza degli eventi SSW durante i diversi contesti ENSO per le definizioni U60 e U65 e i tre indici.

È specificato che le statistiche SSW per il dataset NNR e l’indice ENSO CPC (prima casella del pannello a) sono identiche a quelle mostrate nella Figura 1b, indicando una consistenza nei risultati attraverso diverse figure.

Questi grafici sono cruciali per confrontare come la frequenza degli eventi SSW possa essere influenzata dalla scelta del dataset di reanalisi e dall’indice ENSO utilizzato, mettendo in evidenza anche la robustezza o la sensibilità dei risultati rispetto alle definizioni e ai metodi applicati.

5. Riassunto e discussione

Si è scoperto che la relazione tra ENSO e SSW dipende dalla definizione di SSW. Indipendentemente dalle definizioni, gli eventi SSW tendono a verificarsi più frequentemente durante gli inverni El Niño rispetto agli inverni neutri ENSO. Lo stesso vale anche per gli inverni La Niña in alcune definizioni (ad esempio, definizione U60), risultando in una frequenza di SSW comparabile tra gli inverni El Niño e La Niña (BP11; BPD14). Tuttavia, questa relazione non si mantiene in altre definizioni. Ad esempio, spostando la latitudine di riferimento per la rilevazione degli SSW da 60°N a 65°N (ad esempio, definizione U65), la frequenza degli SSW durante gli inverni El Niño diventa molto più alta rispetto a quella degli inverni La Niña.

Un confronto tra gli eventi SSW basati sulle definizioni U60 e U65 rivela che la relazione ENSO-SSW dipendente dalla definizione è in parte causata dalla diversa estensione latitudinale dell’inversione del vento durante gli eventi SSW degli inverni El Niño e La Niña. Gli eventi SSW degli inverni El Niño (e neutri ENSO) sono tipicamente accompagnati da un’inversione del vento ristretta da circa 54°N al polo. Questo può risultare in una mancata rilevazione di alcuni eventi SSW U65 dalla definizione U60. Al contrario, gli eventi SSW degli inverni La Niña sono associati a un’inversione del vento ampia da circa 46°N al polo. Sia la definizione U60 che quella U65 rilevano gli stessi eventi.

L’estensione latitudinale dell’inversione del vento è largamente determinata dalla struttura latitudinale delle onde planetarie nella stratosfera inferiore. Durante gli inverni El Niño, quando il vortice polare è anomamente debole, gli eventi SSW sono principalmente guidati dalle onde k = 1, che sono centrate a circa 70°N. D’altra parte, gli eventi SSW degli inverni La Niña sono guidati sia dalle onde k = 1 che k = 2. Le onde k = 2 potenziate durante gli eventi SSW degli inverni La Niña sono centrate a circa 60°N, probabilmente risultando in un’inversione del vento più ampia rispetto agli eventi SSW degli inverni El Niño.Sebbene i dataset di reanalisi siano utili per identificare la relazione osservata tra ENSO e SSW, soffrono di record relativamente brevi. Ad esempio, la definizione EOFU, mostrata nella Figura 2, rileva solo 26 eventi SSW. Con questa dimensione del campione così piccola, le statistiche separate degli SSW degli inverni El Niño e La Niña potrebbero essere poco affidabili. In questo senso, i dataset dei modelli climatici potrebbero essere utili per stabilire relazioni ENSO-SSW più oggettive.

La Figura 7 presenta la relazione ENSO-SSW in 12 modelli ad alta quota archiviati per la fase 5 del Progetto di Interconfronto dei Modelli Accoppiati (CMIP5). I dettagli dei modelli selezionati sono descritti in Calvo et al. (2017) e Kim et al. (2017). È evidente dalla Figura 7a che la relazione ENSO-SSW in questi modelli varia ampiamente. Solo due modelli (HadGEM2-CC e MIROC-ESM-CHEM) mostrano statistiche SSW paragonabili ai dataset di reanalisi. Mentre tre modelli, inclusi questi due e GFDM-CM3, mostrano eventi SSW più frequenti durante gli inverni El Niño rispetto agli inverni neutri ENSO, altri tre modelli (IPSL-CM5A-MR, MPI-ESM-MR e MRI-CGCM3) mostrano eventi SSW più frequenti durante gli inverni La Niña rispetto agli inverni El Niño. In generale, la media multimodale della frequenza degli SSW non mostra una relazione sistematica con la fase ENSO (colonna destra).

L’aumento della frequenza degli SSW durante gli inverni El Niño, evidenziato in questo studio (Fig. 2) e nei precedenti studi di modellazione (Taguchi e Hartmann 2006; Polvani et al. 2017), non appare nella maggior parte dei modelli nelle definizioni U60 e U65 (cf. Fig. 7a e 7b). Non è chiaro perché i modelli CMIP5 non mostrino una frequenza degli SSW aumentata durante gli inverni El Niño. Sebbene siano necessari ulteriori studi, questo potrebbe essere in parte correlato ai bias medi del modello. Kim et al. (2017) hanno riportato che le statistiche degli SSW possono cambiare sostanzialmente quando si utilizza una definizione relativa, come una definizione di tendenza del vento, invece di una definizione assoluta di inversione del vento.

Qui, si dovrebbe precisare che il presente studio non mira a identificare o proporre la migliore definizione di SSW. Come notato in precedenza, esistono molte altre definizioni di SSW che non sono discusse in questo studio (Butler et al. 2015; Martineau e Son 2015; Palmeiro et al. 2015), e ogni definizione risulta in una variabilità a lungo termine della frequenza degli SSW leggermente diversa (Butler et al. 2015). Analisi più dettagliate su altri eventi SSW, come quelli basati su EOF, momenti vorticosi 2D e tendenza (Limpasuvan et al. 2004; Seviour et al. 2013; Martineau e Son 2013), meritano certamente ulteriori analisi. Queste analisi aggiuntive sarebbero utili per comprendere meglio non solo la variabilità interannuale ma anche quella decennale degli eventi SSW (Woo et al. 2015). In questo senso, sarebbe utile impiegare molteplici definizioni di SSW per esplorare qualsiasi relazione statistica tra la frequenza degli SSW e la variabilità climatica.

La Figura 7 illustra l’analisi della relazione tra ENSO e gli eventi di Riscaldamento Stratosferico Improvviso (SSW) tramite simulazioni storiche dei modelli CMIP5 per il periodo 1950-2005. I grafici espongono la frequenza degli eventi SSW per gli inverni influenzati da El Niño, ENSO-neutro e La Niña, applicando due diverse definizioni di SSW: U60 (a) e U65 (b), insieme alla definizione ENSO SIMPLE. Ogni modello è identificato con il proprio acronimo standard del CMIP5.

Dettagli Scientifici della Figura:

1. Distribuzione della Frequenza SSW:
   • Le barre colorate rappresentano la percentuale di frequenza degli eventi SSW per ciascun tipo di inverno ENSO nei diversi modelli climatici, dove le barre rosse indicano gli inverni El Niño, le blu per ENSO-neutro, e le grigie per La Niña.
2. Confronto tra Modelli:
   • Ogni pannello elenca una varietà di modelli CMIP5, mostrando come ciascun modello rappresenta la frequenza degli eventi SSW sotto diverse condizioni ENSO con le due definizioni di SSW (U60 e U65).
   • Ciò permette di esplorare le differenze inter-modello nel rappresentare la variabilità climatica e gli effetti sulla stratosfera durante diversi regimi ENSO.
3. Media Multi-Modello (MMM) e Statistiche NNR:
   • Nella colonna più a destra di ogni pannello, sono mostrate la media delle frequenze SSW multimodello (MMM) e le statistiche del dataset di reanalisi NNR per il periodo 1958-2014.
   • La barra dell’errore su MMM rappresenta una deviazione standard (±1 SD), indicando la variabilità tra i modelli.

Implicazioni Scientifiche:

• Variabilità Inter-Modello: La significativa variabilità tra i modelli nel rappresentare la frequenza degli SSW sotto differenti condizioni ENSO evidenzia incertezze nei modelli o nelle loro capacità di simulare accuratamente i processi dinamici stratosferici.
• Sensibilità alle Definizioni di SSW: Le differenze nei risultati ottenuti con le definizioni U60 e U65 sottolineano l’importanza della scelta della definizione di SSW nel determinare come i modelli rappresentano la relazione tra ENSO e SSW.
• Necessità di Ulteriori Studi: L’ampio spettro di risposte tra i modelli e le differenze rispetto ai dati di reanalisi sottolineano la necessità di ulteriori ricerche per affinare i modelli e migliorare la comprensione degli impatto dinamici di ENSO sulla stratosfera.

https://journals.ametsoc.org/view/journals/clim/31/6/jcli-d-17-0078.1.xml