Rilevamento della circolazione meridionale secondaria associata all’oscillazione quasi-biennale

Rilevamento della circolazione meridionale secondaria associata all’oscillazione quasi-biennale

P. Ribera, C. Pen˜a-Ortiz, R. Garcia-Herrera, D. Gallego, L. Gimeno, e E. Herna´ndez
Ricevuto il 18 novembre 2003; revisionato l’11 giugno 2004; accettato il 22 giugno 2004; pubblicato il 23 settembre 2004.

[1] Il segnale dell’oscillazione quasi-biennale (QBO) nei campi dei venti zonali e meridionali stratosferici, della temperatura e dell’altezza geopotenziale è analizzato basandosi sull’uso delle rianalisi del National Centers for Environmental Prediction (NCEP) (1958–2001). Il metodo multitaper-scomposizione in valori singolari (MTM-SVD), un metodo di analisi multivariata nel dominio della frequenza, è utilizzato per rilevare oscillazioni significative e spazialmente coerenti a banda stretta. La QBO è identificata come il segnale più intenso nel vento zonale stratosferico. Successivamente, il metodo MTM-SVD è utilizzato per determinare i modelli indotti dalla QBO ad ogni livello stratosferico e campo di dati. La circolazione meridionale secondaria associata alla QBO è identificata nei modelli ottenuti. Questa circolazione può essere caratterizzata da anomalie di temperatura negative (positive) associate a movimenti adiabatici ascendenti (discendenti) sopra zone di taglio del vento orientale (occidentale) e sopra i subtropici e le medie latitudini, mentre i livelli di convergenza e divergenza meridionale sono separati da un livello di massimo taglio del vento zonale. Questi movimenti verticali e meridionali formano celle di circolazione quasi simmetriche su entrambi gli emisferi, sebbene meno intense nell’emisfero meridionale.

TERMINI INDICE:
3334 Meteorologia e Dinamiche Atmosferiche: Dinamiche dell’atmosfera media (0341, 0342);
3319 Meteorologia e Dinamiche Atmosferiche: Circolazione generale;
3314 Meteorologia e Dinamiche Atmosferiche: Processi convettivi;
PAROLE CHIAVE: QBO, circolazione meridionale secondaria, dinamiche della stratosfera.

Introduzione alla Circolazione Meridionale Secondaria Associata all’Oscillazione Quasi-Biennale

[2] La circolazione meridionale secondaria (SMC), associata all’oscillazione quasi-biennale (anche denominata “circolazione diretta dell’oscillazione quasi-biennale (QBO)”), è stata descritta per la prima volta da Reed nel 1964. Nel 1982, Plumb e Bell hanno realizzato la prima analisi dettagliata mediante un modello bidimensionale (2-D) della sua struttura latitudinale e verticale. L’SMC consiste in una modulazione della circolazione meridionale media stratosferica, conosciuta anche come circolazione di Brewer-Dobson, prodotta dalla QBO. Questa circolazione è caratterizzata dal sollevamento dell’aria alle basse latitudini, una deriva verso i poli e un abbassamento alle latitudini più elevate, come spiegato da James nel 1994. Pertanto, comprendere gli effetti della QBO nella circolazione stratosferica globale è essenziale per capire le dinamiche sottostanti e la distribuzione della temperatura e dei traccianti nella stratosfera.

[3] L’SMC è caratterizzata da un movimento di affondamento all’equatore nelle zone di taglio vento occidentale e da un sollevamento nelle aree di taglio vento orientale. È necessaria una temperatura massima (minima) all’equatore nelle zone di taglio vento occidentale (orientale) per mantenere l’equilibrio del vento termico. I movimenti di affondamento (sollevamento) producono un riscaldamento (raffreddamento) adiabatico per preservare anomalie di temperatura positive e negative contro l’ammortizzazione termica, come illustrato da Baldwin e altri nel 2001. Come mostrato da Plumb e Bell nel loro modello 2-D del 1982, l’SMC si distingue anche per zone di convergenza (divergenza) meridionale sull’equatore coincidenti con la localizzazione del massimo vento occidentale (orientale). L’anomalia di temperatura della QBO cambia segno a circa ±15° a causa dei movimenti di sollevamento (affondamento) che compensano i movimenti di affondamento (sollevamento) all’equatore, come indicato da Cordero e Nathan nel 2000 e altri autori successivi.

[4] Anche se inizialmente si riteneva che l’SMC fosse confinata tra i 30°S e i 30°N, come indicato da Plumb e Bell nel 1982, alcuni autori hanno sottolineato che non è limitata all’area tropicale e influisce sulla temperatura e sui traccianti anche nelle zone extratropicali e alle medie latitudini, come dimostrato da Gray e altri nel 2001. Studi recenti hanno suggerito che l’estensione latitudinale di queste celle di circolazione è dipendente dalla stagione, raggiungendo le latitudini medie e alte in inverno e primavera. L’idea più accettata è che l’influenza extratropicale della QBO avvenga attraverso la modulazione delle onde di Rossby extratropicali. Inoltre, alcuni autori hanno evidenziato la possibilità che altri meccanismi dinamici possano anche partecipare alla propagazione meridionale del segnale della QBO attraverso interazioni con la circolazione di Brewer-Dobson, che potrebbe essere un altro fattore nella propagazione polare dell’SMC e dell’anomalia dell’ozono della QBO, come indicato da Kinnersley e Tung negli anni ’90.

[5] L’SMC è stata ampiamente studiata direttamente con modelli e indirettamente attraverso i suoi effetti sulla distribuzione di variabili dinamiche come la vorticità potenziale o traccianti come CH₄, H₂O, N₂O, NO₂, O₃ e aerosol. Tuttavia, la sua osservazione diretta è molto difficile, e gli studi attuali sulla circolazione meridionale media nella stratosfera non evidenziano alcun segnale di modulazioni della QBO, probabilmente a causa della bassa velocità del vento meridionale e verticale coinvolta, come riportato da Choi e altri nel 2002.

[6] Il metodo multitaper – scomposizione in valori singolari (MTM-SVD) [Mann e Park, 1999] è stato utilizzato per rilevare l’SMC dalle rianalisi del National Centers for Environmental Prediction – National Center for Atmospheric Research (NCEP-NCAR). Questo metodo è applicato per isolare modelli spazialmente coerenti di variabilità a banda stretta presenti nel vento zonale stratosferico e in altri campi climatici simultaneamente. Dopo che la QBO è rilevata come l’unica fonte coerente di variabilità oscillante su scala interannuale, il suo segnale è proiettato su altri campi di dati, come il vento meridionale, la temperatura e l’altezza geopotenziale. Successivamente, l’MTM-SVD è utilizzato per ricostruire i modelli spaziali e temporali del vento meridionale, della temperatura e dell’altezza geopotenziale associati al vento zonale equatoriale della QBO. Con questa procedura, un quadro dell’SMC è chiaramente delineato.

La Figura 1 mostra uno schema del metodo MTM-SVD (Multitaper Method-Singular Value Decomposition), che è utilizzato per analizzare serie temporali in termini di componenti spaziali e di frequenza. Ecco una spiegazione passo-passo semplificata del diagramma:

1. Dominio Temporale: I dati vengono raccolti da diversi osservatori nel tempo, formando serie temporali distinte per ciascun osservatore.
2. MTM (Multitaper Method): Ogni serie temporale è modificata utilizzando speciali finestre chiamate “Slepian tapers” e poi trasformata per analizzarne il contenuto di frequenza. Questo processo aiuta a ridurre le incertezze nella stima della potenza del segnale.
3. Dominio della Frequenza: Le trasformazioni portano alla creazione di matrici che contengono le informazioni di frequenza per ogni osservatore e taper applicato.
4. SVD (Singular Value Decomposition): Queste matrici sono scomposte in componenti principali, rivelando le principali direzioni di variazione nei dati.
5. Ponderazione: I componenti derivati dalla decomposizione sono poi ponderati per considerare effetti specifici come l’effetto della posizione geografica o l’importanza relativa di altre variabili misurate.
6. Spectrum LFV (Local Fractional Variance): Si analizza il primo componente del spectrum LFV locale per comprendere meglio la varianza frazionaria spiegata da questo componente principale.
7. Evoluzione dei Modelli Spaziali: Infine, l’attenzione si sposta sull’evoluzione dei modelli spaziali influenzati da una frequenza significativa identificata, come indicato dallo schema a 0,4 cicli all’anno.

Questo metodo fornisce un’analisi dettagliata e accurata delle variazioni periodiche nei dati multivariati, essenziale per interpretare processi dinamici complessi in vari campi di studio.

2. Dati e Metodo

[7] In questo studio sono stati utilizzati dati mensili dal 1958 al 2001 relativi ai venti zonali e meridionali, all’altezza geopotenziale e alla temperatura a vari livelli stratosferici (200, 150, 100, 70, 50, 30, 20 e 10 hPa) ottenuti dalle rianalisi NCEP-NCAR. La risoluzione spaziale dei dati è di 5 gradi di latitudine per 5 gradi di longitudine, coprendo l’intero globo (esclusi i 90°N e 90°S), con un totale di 2520 punti di griglia per livello. I dati dei punti di griglia mensili sono stati desezionalizzati, convertiti in anomalie standardizzate e poi ponderati per un fattore di estensione areale del punto di griglia (coseno della latitudine).

[8] L’MTM-SVD è inizialmente applicato al set di dati delle anomalie del vento zonale a diversi livelli di pressione nella stratosfera. Uno schema di questa procedura è rappresentato nella Figura 1. Ogni serie temporale standardizzata per ciascun punto di griglia viene trasformata dal tempo al dominio spettrale attraverso la procedura MTM. L’MTM è un metodo di analisi spettrale utilizzato per esaminare una sequenza temporale di dati in termini di contenuto di frequenza. Ogni serie temporale è moltiplicata per i primi tre tapers ortogonali di Slepian per ridurre la dispersione spettrale. Ogni una di queste tre serie temporali ottenute per ciascun punto di griglia è quindi trasformata in Fourier. Una matrice di dimensione M x 3 è costruita con i tre spettri indipendenti ottenuti per le serie temporali, dove M è il numero totale di osservatori e i tapers sono numerati da 1 a 3. Una SVD è eseguita per ogni frequenza da zero alla frequenza di Nyquist. I vettori singolari sinistri e destri ottenuti rappresentano i modelli temporali e spaziali del segnale associato a una data frequenza. Il vettore complesso di dimensione M è il modello spaziale corrispondente al modo di decomposizione. Contiene informazioni sulla fase relativa e sull’ampiezza del segnale in tutte le località. D’altra parte, il vettore complesso fornisce informazioni sulle modulazioni di ampiezza e fase su una scala temporale più lunga del periodo di oscillazione. I valori singolari ottenuti sono proporzionali alla varianza associata ai modelli temporali e spaziali ottenuti per ogni modo. Il valore singolare più grande rappresenta la massima varianza contenuta nei modelli spaziali e temporali ottenuti per ogni frequenza.

I valori singolari maggiori sono utilizzati per costruire lo spettro della varianza frazionaria locale (LFV), un metodo impiegato per identificare bande oscillatorie significative. Un test di Monte Carlo viene eseguito per stabilire i livelli di significatività statistica, utilizzando mille combinazioni diverse degli intervalli temporali per generare versioni casualizzate del campo F, che mantengono la struttura spaziale ma non quella temporale. I livelli di significatività statistica sono determinati dai percentili 90, 95 e 99 di questo insieme di campi F.

Dopo questa analisi, l’oscillazione quasi-biennale (QBO) emerge come il segnale più intenso trovato nei dati delle anomalie del vento zonale, particolarmente marcato a 30 hPa. In questo studio, il segnale a 30 hPa viene proiettato su ogni altro livello stratosferico e variabile (temperatura, vento meridionale, e altezza geopotenziale) per determinare i modelli spaziali e temporali indotti dalla QBO. Si utilizza nuovamente il metodo MTM-SVD per determinare queste proiezioni e i modelli associati.

Durante la procedura, le serie temporali delle diverse variabili sono trasformate nel dominio della frequenza e gli spettri risultanti dei campi sono combinati per formare matrici di dimensioni maggiori. Queste matrici sono poi ponderate per isolare il segnale della QBO dalle sue proiezioni, utilizzando il coseno della latitudine per il vento zonale a 30 hPa e un fattore di riduzione molto elevato per tutti gli altri campi. Questo processo di ponderazione mira a isolare il segnale della QBO durante la decomposizione in valori singolari della matrice ponderata.

Infine, l’analisi della variabilità congiunta tra il segnale del vento zonale associato alla QBO e il vento meridionale, la temperatura, o l’altezza geopotenziale viene condotta attraverso i modelli ottenuti. Le strutture meridionali e verticali di questi modelli sono analizzate mediando zonalmente i campi di dati per ogni livello di pressione, permettendo di esaminare i profili verticali dei modelli meridionali medi attraverso un intero ciclo della QBO.

La Figura 2 mostra lo spettro della varianza frazionaria locale (LFV) per i dati del vento zonale a 10, 30 e 100 hPa, coprendo il periodo dal 1958 al 2001. Questo grafico illustra come la varianza cambia in funzione della frequenza (espressa in cicli per anno) per ciascuno dei tre livelli di pressione analizzati.

Elementi chiave della figura:

• Linee Diverse: Ogni linea rappresenta uno dei livelli di pressione:
  • La linea continua rappresenta il livello di 30 hPa.
  • La linea tratteggiata rappresenta il livello di 10 hPa.
  • La linea punteggiata rappresenta il livello di 100 hPa.
• Intensità del Segnale: Le variazioni nella linea mostrano l’intensità del segnale a ciascuna frequenza. Picchi più alti indicano una maggiore varianza a quella frequenza, suggerendo che il segnale è più forte o più coerente in quel punto.
• Livelli di Significatività: Le linee orizzontali tratteggiate rappresentano i livelli di significatività statistica del 90%, 95% e 99%. Questi livelli sono usati per determinare se un particolare picco dello spettro LFV è statisticamente significativo.
  • Il 90% è il livello più basso di significatività, seguito dal 95% e dal 99% come il più alto.
  • Qualsiasi picco che supera queste linee orizzontali è considerato statisticamente significativo a quel livello.
• Osservazioni Principali:
  • I segnali a 30 hPa mostrano picchi significativi a circa 0.04 cicli/anno, corrispondenti a un periodo di circa 25 mesi, che è vicino al periodo medio del QBO (28 mesi).
  • Il segnale a 10 hPa mostra variazioni simili ma con un’intensità leggermente inferiore rispetto a 30 hPa.
  • A 100 hPa, il segnale è meno evidente e non mostra picchi significativi come quelli osservati a livelli di pressione più bassi.

Questa analisi LFV aiuta a identificare dove il segnale QBO è più forte e più coerente attraverso la stratosfera, e quale frequenza di oscillazione domina in termini di impatto sulla varianza del vento zonale.

3. Analisi

[10] Gli spettri LFV eseguiti per i campi del vento zonale a ogni livello di pressione (da 10 a 200 hPa) mostrano una banda ampia di variabilità statisticamente significativa con periodi che variano da 2 a 3 anni (da F = 0,33 a F = 0,45 cicli all’anno) nei livelli da 10 a 70 hPa. Esempi di questi spettri LFV sono inclusi nella Figura 2. I livelli più alti (10 e 30 hPa) sono caratterizzati da bande oscillatorie significative tra 0,33 e 0,45 cicli/anno, mentre i livelli più bassi (100 hPa) non lo sono. Questo è coerente con il periodo medio (28 mesi) descritto da studi precedenti come il più caratteristico per la QBO durante la seconda metà del ventesimo secolo. Il segnale QBO più intenso si trova a 30 hPa (Figura 2), e la frequenza scelta per rappresentare l’oscillazione è quella con la massima varianza a questo livello (0,41 cicli/anno). La struttura verticale zonale e latitudinale media del segnale QBO nel vento zonale, vento meridionale, temperatura e altezza geopotenziale e la sua evoluzione temporale sono mostrate nella Figura 3. L’evoluzione temporale dei modelli spaziali associati è rappresentata attraverso l’uso di cinque fasi consecutive, iniziando durante la fase di QBO occidentale (fase 0°) e terminando alla fase di QBO orientale (fase 180°), con incrementi di fase di 45°. Le anomalie a 180° sono, per costruzione, opposte a quelle osservate nella fase 0°.

3.1. Segnale QBO nel Vento Zonale

Nella Figura 3a, dove è rappresentato il vento zonale, si osserva un’intensa segnalazione del QBO tra i 20°S e i 20°N. Nella fase 0°, l’anomalia zonale più intensa di vento occidentale si trova a 30 hPa, ma 3 mesi dopo, durante la fase 45°, è scesa a 50 hPa, mentre un’intensa anomalia di vento orientale è osservata a 10 hPa. È evidente una propagazione verso il basso degli orientali da 10 hPa a 70/100 hPa attraverso l’osservazione delle fasi successive. Nella fase 225°, un intenso vento occidentale è evidente al di sopra degli orientali (non mostrato). Questo si propaga verso il basso, completando il ciclo quando si raggiunge nuovamente la situazione rappresentata nella fase 0°. Questo risultato è coerente con le analisi precedenti sulla propagazione del QBO nelle aree tropicali [Naujokat, 1986; Hamilton, 1998; Gray et al., 2001; Baldwin et al., 2001].

Alle latitudini più elevate, si evidenzia una chiara asimmetria tra l’emisfero nord e l’emisfero sud. La modulazione del vortice polare stratosferico dal QBO è più intensa nell’emisfero nord, dove la fase QBO di vento occidentale (orientale) è associata con l’accelerazione (decelerazione) del vortice polare stratosferico, rispetto all’emisfero sud. Tuttavia, nell’emisfero sud il segnale QBO alle alte latitudini è molto più debole, mentre alle latitudini inferiori ha una maggiore estensione. Questo è, ancora una volta, coerente con le descrizioni precedenti del segnale QBO nelle extratropici [Baldwin and Dunkerton, 1998, 1999, 2001; Naito, 2002; Thompson et al., 2002].

La Figura 3 è suddivisa in quattro pannelli (a, b, c, d), ciascuno rappresentando la struttura latitudinale e verticale di variabili atmosferiche durante cinque fasi consecutive del QBO (0°, 45°, 90°, 135°, e 180°):

1. (a) Vento Zonale: Questo pannello illustra l’evoluzione del vento zonale da fase occidentale a orientale. Le anomalie negative sono ombreggiate e quelle positive sono in bianco, con una distanza tra le isolinee di 2 m/s. Questo mostra come la direzione e l’intensità del vento zonale cambiano in risposta alle fasi del QBO.
2. (b) Vento Meridionale: Mostra l’evoluzione del vento meridionale, con isolinee distanziate di 15 cm/s. Il pannello svela variazioni nella direzione del vento meridionale che accompagnano le diverse fasi del QBO.
3. (c) Temperatura: Rappresenta le variazioni di temperatura attraverso le fasi del QBO, con isolinee ogni 0,2 K. Le anomalie, positive e negative, illustrano come la temperatura sia influenzata dal ciclo del QBO.
4. (d) Altezza Geopotenziale: Mostra l’evoluzione dell’altezza geopotenziale con isolinee di 10 m. Questo pannello evidenzia come l’altezza geopotenziale varia in risposta alle fasi del QBO, indicando cambiamenti nella pressione e densità atmosferica.

Questi pannelli offrono una visione comprensiva di come variabili atmosferiche interagiscono e rispondono al ciclo del QBO, evidenziando le anomalie che segnano differenze significative nel comportamento dell’atmosfera a seconda della fase osservata del QBO.

3.2. Segnale QBO nel Vento Meridionale e Temperatura: La Circolazione Meridionale Secondaria

La Figura 3b rappresenta gli effetti del QBO sul vento meridionale. La caratteristica principale della circolazione meridionale associata al QBO è l’esistenza di aree equatoriali di convergenza e divergenza. La convergenza meridionale (divergenza) si verifica quando si rileva contemporaneamente un’anomalia negativa (positiva) nel vento meridionale nell’area equatoriale dell’emisfero settentrionale e un’anomalia positiva (negativa) in quella dell’emisfero meridionale allo stesso livello. Il confronto tra le Figure 3a e 3b mostra che le aree con i valori più elevati di u (10–20 m/s) sono associate a zone di convergenza meridionale (divergenza) [Choi et al., 2002; Baldwin et al., 2001; Cordero e Nathan, 2000].

Fuori dalle fasi e dalle zone dove il vento massimo occidentale e orientale raggiunge i 10–20 m/s, non si osserva l’associazione tra il movimento di convergenza meridionale (divergenza) e il vento massimo occidentale (orientale). Pertanto, solo ai livelli da 10 a 30 hPa è possibile stabilire la coincidenza spaziale del massimo vento zonale e le zone di convergenza o divergenza.

Nella fase 0°, c’è un massimo di vento occidentale a 30 hPa sulla zona equatoriale. In questa fase la zona di convergenza meridionale associata al vento occidentale si trova anch’essa a 30 hPa. Nella fase 90°, la zona di vento occidentale equatoriale è discesa, e il suo massimo è ora centrato tra i 50 e i 70 hPa. La zona di convergenza meridionale è spostata verso l’alto e si trova ora tra i 30 e i 50 hPa. Nelle fasi 135° e 180°, quando gli occidentali sono limitati alla stratosfera inferiore, ci sono ancora zone di convergenza centrate a 50 e 70 hPa, rispettivamente. Una simile evoluzione si osserva per la relazione divergenza/orientali tra le fasi 180° e 360° (non mostrato).

Le zone di convergenza (divergenza) non seguono esattamente la discesa dei massimi occidentali (orientali). I livelli di convergenza e divergenza sono separati da un livello di massimo taglio del vento zonale. Ad esempio, nella fase 45°, il flusso occidentale più intenso si trova a 40 hPa, il flusso orientale più intenso è sopra i 10 hPa, e il massimo taglio del vento è a 20 hPa, separando entrambi i massimi. Quindi, per questa fase, il livello di convergenza più intenso è centrato a 40 hPa, coincidente con il massimo vento occidentale, e il livello di divergenza è centrato a 10 hPa, coincidente con il massimo vento orientale. D’altra parte, per la fase 135°, il flusso occidentale più intenso è a 90 hPa, e il flusso orientale massimo è a 20 hPa, ma la convergenza è centrata a 60 hPa, e la divergenza è leggermente sotto i 20 hPa, con il massimo taglio del vento centrato tra 40 e 50 hPa.

[14] La Figura 3b mostra che per tutte le fasi, le anomalie più significative del QBO nel vento meridionale si trovano tra le latitudini di ±20°. Tuttavia, le anomalie del vento meridionale positive e negative, rispettivamente nell’emisfero settentrionale e meridionale, relative ai movimenti di divergenza e convergenza, non cambiano segno fino a ±50° di latitudine nelle fasi con i venti occidentali e orientali più intensi. Questo suggerisce che l’area influenzata dai movimenti di convergenza e divergenza meridionale raggiunge le latitudini medie e alte durante le fasi forti del QBO. Queste aree sono limitate a ±20° di latitudine man mano che il segnale si propaga verso il basso e i venti diventano meno intensi.

[15] La Figura 3c rappresenta le anomalie di temperatura associate al QBO. Nell’area equatoriale, tra 15°S e 15°N, si osservano anomalie di temperatura positive sopra le zone di venti occidentali e negative sopra quelle dei venti orientali. Questo è coerente con le anomalie calde richieste nelle zone di venti occidentali e quelle fredde nelle zone dei venti orientali, in accordo con il bilancio del vento termico.

[16] La Figura 3c mostra anche che l’influenza del QBO sulla temperatura non è limitata all’area equatoriale; al contrario, mostra che il segnale di temperatura del QBO è quasi simmetrico rispetto all’equatore e presenta un’inversione di fase a circa ±15° di latitudine. Nelle medie latitudini, si trovano anomalie di temperatura di segno opposto. Queste anomalie di temperatura stratosferica calde e fredde indotte dal QBO sono prodotte e mantenute contro lo smorzamento termico da movimenti adiabatici di affondamento e innalzamento. Le anomalie di temperatura positive e negative sono interpretate come una discesa e ascesa dell’aria. Questi risultati confermano la propagazione verso il basso delle anomalie di temperatura a seguito della discesa del segnale QBO nel vento zonale equatoriale.

[17] Alle alte latitudini, durante la fase occidentale (orientale) del QBO, quando si analizzano le temperature in fase, si osservano condizioni più fredde (calde) del normale in entrambe le regioni polari, sebbene siano più intense nell’emisfero settentrionale (Figura 3c), come previsto da studi precedenti [Salby e Callaghan, 2000; Baldwin e Dunkerton, 2001; Ribera et al., 2003]. Non si trovano anomalie significative del vento meridionale del QBO alle alte latitudini.

[18] Infine, guardando i risultati presentati da Huesmann e Hitchman [2003], si deve considerare un cambiamento nei campi di dati di temperatura e vento meridionale della rianalisi NCEP nel 1978. Sono state rilevate differenze nelle anomalie di temperatura e velocità del vento e nell’estensione meridionale dell’area di influenza del QBO sulla temperatura. Di conseguenza, i risultati potrebbero essere affetti da deviazioni quantitative; i valori massimi assoluti di T (v) sono probabilmente inferiori (superiori) rispetto alla realtà. Tuttavia, l’evoluzione dei modelli descritti non sembra essere significativamente modificata.

3.3. Segnale QBO nell’Altezza Geopotenziale

[19] La Figura 3d mostra le anomalie nell’altezza geopotenziale associate al QBO. Nella fase 0°, quando viene rilevato il vento occidentale più intenso, si trovano anomalie positive dell’altezza geopotenziale sulla regione equatoriale, mentre anomalie negative sono rilevate sui poli. Durante le fasi successive, man mano che il vento orientale appare sopra gli occidentali e si propaga verso il basso, l’anomalia positiva dell’altezza geopotenziale nella zona equatoriale si trasforma in un’anomalia negativa, mentre, nelle regioni polari, le anomalie negative diventano positive. Le anomalie nelle regioni polari sono meno intense nell’emisfero meridionale rispetto a quello settentrionale, ma sono caratterizzate da una maggiore estensione latitudinale [Huesmann e Hitchman, 2001; Holton e Tan, 1980].

[20] Le anomalie positive (negative) nell’altezza geopotenziale riflettono un aumento (diminuzione) dello spessore dello strato sottostante a un dato livello [Holton, 1972] e, di conseguenza, proporzionale alla sua temperatura media. Pertanto, le anomalie positive (negative) nell’altezza geopotenziale sono anche correlate a anomalie di temperatura calda (fredda) nello strato sottostante. Questo fatto è evidente nelle strutture latitudinali e verticali ottenute delle temperature del QBO e dell’altezza geopotenziale (Figure 3c e 3d).

La Figura 4 mostra due schemi (a e b) di sezioni latitudinali-altitudinali che illustrano le caratteristiche più significative della Circolazione Meridionale Secondaria (SMC). Ecco una spiegazione dettagliata dei pannelli:(a) Convergenza/Divergenza al medesimo livello del massimo occidentale/orientale

• Zona dei venti occidentali e orientali: Le linee tratteggiate indicano le zone di taglio dei venti occidentali, e le linee continue rappresentano le zone di taglio dei venti orientali. Queste zone mostrano la variazione della direzione del vento da ovest a est attraverso l’atmosfera.
• Massimi di vento: Le caselle bianche indicano i massimi dei venti occidentali e le caselle ombreggiate mostrano i massimi dei venti orientali. L’area delle caselle corrisponde all’intensità del vento in queste zone.
• Frecce: Rappresentano la direzione e l’intensità dei venti meridionali e verticali, con la grandezza proporzionale all’intensità del vento.
• Posizione geografica: SH indica l’emisfero sud, EQ l’equatore, e NH l’emisfero nord.

Questo schema evidenzia come le zone di convergenza e divergenza si allineino strettamente con i massimi dei venti occidentali e orientali, suggerendo una forte correlazione tra la direzione dei venti zonali e i movimenti verticali atmosferici.

(b) Convergenza o Divergenza non coincidente con i massimi occidentali o orientali

• Configurazione di vento: Simile al pannello (a), ma le caselle rappresentanti i massimi dei venti non sono allineate con le zone di convergenza o divergenza.
• Zona di taglio dei venti: Anche se i venti occidentali si indeboliscono, le zone di taglio del vento rimangono ben definite.

In questo schema, le zone di convergenza e divergenza non sono collegate direttamente ai massimi venti occidentali e orientali, indicando una dinamica atmosferica più complessa dove i movimenti verticali non seguono strettamente la direzione dei venti zonali.

3.4. Una Visione della Circolazione Meridionale Secondaria

[21] L’analisi congiunta dei movimenti meridionali descritti precedentemente e dei movimenti verticali legati alle anomalie di temperatura fornisce un quadro chiaro della circolazione meridionale secondaria. L’esistenza delle zone di convergenza e divergenza è direttamente legata ai movimenti di risalita e discesa dell’aria. La continuità della massa d’aria richiede la successione di aree di convergenza e divergenza per livelli verticali consecutivi; il trasporto verso l’alto (il basso) di massa d’aria prodotto dalla convergenza (divergenza) ai livelli inferiori deve essere mantenuto dalla divergenza (convergenza) in alto (sotto). Grandi anomalie di temperatura negative (positive) si trovano sopra le zone di forte taglio del vento orientale (occidentale). Per mantenere queste anomalie fredde (calde), l’aria deve salire (scendere), con il conseguente raffreddamento (riscaldamento) adiabatico. Di conseguenza, le zone di convergenza e divergenza associate ai movimenti verticali sono situate appena sotto e sopra le zone di taglio del vento zonale e anomalia di temperatura più intense, il che è coerente con i risultati mostrati nelle Figure 3b e 3c.

[22] I movimenti di discesa e risalita sopra le zone di taglio del vento equatoriale e sopra le subtropicali e medie latitudini, uniti ai movimenti di divergenza e convergenza, formano celle di circolazione, quasi simmetriche rispetto all’equatore ma meno intense nell’emisfero sud. Una versione schematica di queste celle nelle fasi 45° e 135° è rappresentata rispettivamente nelle Figure 4a e 4b. Nella Figura 4 è rappresentata la posizione dei massimi venti QBO orientali e occidentali insieme agli strati di taglio del vento e una rappresentazione schematica delle celle meridionali secondarie associate. Come caratteristica generale, nei casi in cui l’intensità dei flussi orientali e occidentali successivi è molto alta, la circolazione delle celle è più intensa rispetto ai casi in cui uno dei flussi zonali non è così intenso. Pertanto, nel primo caso (rappresentato nella Figura 4a) le anomalie di vento meridionale e verticale associate (previste dalle anomalie di temperatura) sono maggiori rispetto al secondo caso (rappresentato nella Figura 4b).

[23] Nella Figura 4a, ci sono due massimi zonali assoluti intensi (uno dall’ovest e uno dall’est) separati da uno strato con un pronunciato taglio del vento orientale, dove una grande massa d’aria è risalita. Come precedentemente spiegato, convergenza e divergenza sono localizzate ai limiti verticali di questo strato di massimo taglio. Pertanto, in questo caso, convergenza e divergenza sono situate allo stesso livello dei massimi venti occidentali e orientali.

[24] La Figura 4b rappresenta quei casi in cui un debole massimo occidentale è accompagnato da un intenso massimo orientale. Di conseguenza, il limite verticale inferiore dello strato, dove si osserva il massimo taglio del vento, non coincide con il debole massimo occidentale. Quindi, in questi casi, la divergenza è rilevata allo stesso livello del massimo orientale, ma la convergenza è spostata al limite inferiore dello strato di massimo taglio del vento, situato sopra il debole massimo occidentale. Un modello simile sarebbe rilevato anche nei casi in cui un intenso massimo occidentale è accompagnato da un debole massimo orientale.4. Riassunto e Conclusioni

[25] La metodologia MTM-SVD fornisce un quadro dettagliato dell’evoluzione temporale dei modelli spaziali di diverse variabili attraverso un ciclo QBO. L’analisi della modulazione QBO del vento meridionale mostra l’esistenza di zone di convergenza e divergenza meridionali sopra l’equatore, situate ai limiti inferiori e superiori dei massimi di taglio del vento zonale e dei massimi strati di anomalia della temperatura. Le zone di convergenza e divergenza meridionali coincidono con le aree di massimo flusso zonale solo ai livelli di pressione tra i 10 e i 30 hPa, dove l’alta intensità dei massimi dei venti zonali produce un marcato decremento (o incremento) verticale del flusso zonale. Questa distribuzione spaziale determina la propagazione verso il basso del segnale QBO nel vento meridionale. Così, le aree di divergenza e convergenza discendono legate al centro del massimo taglio del vento zonale. D’altra parte, sebbene l’area di influenza del segnale QBO del vento meridionale sia principalmente centrata tra ±20° di latitudine, può raggiungere i ±60° di latitudine per i centri di convergenza e divergenza più intensi.

[26] Il segnale QBO ottenuto per la temperatura stratosferica è caratterizzato da anomalie calde (fredde) sopra l’equatore associate a zone di taglio dei venti occidentali (orientali). Queste anomalie cambiano segno a circa ±15° di latitudine. La discesa (ascesa) adiabatica della massa d’aria produce queste anomalie calde (fredde) richieste dal bilancio del vento termico. Le variazioni nel campo della temperatura influenzano anche lo spessore dello strato, causando anomalie nel campo dell’altezza geopotenziale dello stesso segno.

[27] I flussi meridionali non possono essere compresi senza i movimenti verticali legati alle anomalie di temperatura. Insieme, formano celle di circolazione che discendono dalla stratosfera media alla stratosfera inferiore. L’intensità e la posizione di queste celle di circolazione sono determinate dagli strati di taglio del vento zonale prodotti dalla successione di zone di venti occidentali e orientali per livelli verticali consecutivi. In sintesi, questo articolo descrive un segnale coerente e mutuamente consistente del ciclo QBO nei venti zonali e meridionali stratosferici, nella temperatura e nell’altezza geopotenziale, associato alla circolazione meridionale secondaria.

https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1029/2003JD004363