Autori: Kanghyun Song e Seok-Woo Son
Affiliazione: Scuola di Scienze della Terra e dell’Ambiente, Università Nazionale di Seoul, Seoul, Corea del Sud
Manoscritto ricevuto: 9 febbraio 2017
Manoscritto accettato in forma definitiva: 24 dicembre 2017
Il rapporto tra El Niño–Southern Oscillation (ENSO) e i riscaldamenti stratosferici improvvisi, comunemente indicati con l’acronimo SSW (Sudden Stratospheric Warmings), rappresenta uno degli aspetti più complessi dell’accoppiamento dinamico tra troposfera e stratosfera. Il lavoro di Kanghyun Song e Seok-Woo Son, pubblicato nel 2018 sul Journal of Climate con il titolo Revisiting the ENSO–SSW Relationship, assume una particolare importanza perché mette in discussione una visione apparentemente semplice della relazione tra le anomalie della temperatura superficiale del Pacifico tropicale e la frequenza delle grandi perturbazioni del vortice polare stratosferico. Gli autori mostrano infatti che, mentre l’associazione tra El Niño e una maggiore probabilità di osservare SSW risulta relativamente robusta, quella riguardante La Niña è molto più incerta e dipende sensibilmente dal criterio impiegato per definire un evento di riscaldamento stratosferico improvviso. La questione non è meramente terminologica: definire in maniera differente un SSW significa selezionare manifestazioni differenti della variabilità del vortice polare e, di conseguenza, modificare le statistiche attraverso cui viene diagnosticata l’influenza dell’ENSO sulla stratosfera. Song e Son esaminano sette differenti definizioni di SSW e riscontrano che tutte conducono a una frequenza maggiore degli eventi durante gli inverni di El Niño rispetto agli inverni ENSO neutrali; lo stesso comportamento non emerge invece in maniera sistematica durante La Niña.
Per comprendere il significato dinamico di questo risultato è necessario partire dalla natura stessa degli SSW. I riscaldamenti stratosferici improvvisi costituiscono alcune delle perturbazioni più spettacolari della circolazione atmosferica invernale dell’emisfero boreale. Essi sono associati a una rapida decelerazione del vortice polare stratosferico e a un marcato aumento delle temperature della stratosfera polare; negli eventi maggiori, il vento zonale medio, normalmente occidentale durante l’inverno, può invertirsi diventando orientale. La definizione tradizionalmente più utilizzata identifica un major SSW attraverso l’inversione dei venti zonali medi a circa 60°N e 10 hPa. Tuttavia, Butler e collaboratori hanno evidenziato come nella letteratura siano state impiegate numerose varianti di questa definizione, differenti per latitudine, livello di pressione, soglia del vento, gradiente termico, estensione spaziale dell’inversione o caratteristiche geometriche del vortice. Questo problema metodologico è particolarmente importante quando si confrontano frequenze relativamente piccole di eventi, perché anche differenze apparentemente modeste nei criteri di identificazione possono modificare il numero di SSW attribuiti a una determinata categoria climatica.
Il legame fisico tra ENSO e stratosfera non consiste in una propagazione diretta delle anomalie termiche del Pacifico tropicale verso il vortice polare. Esso è invece mediato da una complessa catena di teleconnessioni atmosferiche. Le anomalie della temperatura superficiale oceanica associate a El Niño modificano profondamente la convezione tropicale, la distribuzione del riscaldamento latente e la divergenza nell’alta troposfera. Queste perturbazioni modificano a loro volta la generazione e la propagazione delle onde di Rossby, influenzando la circolazione extratropicale del Pacifico settentrionale e del Nord America. Uno degli elementi frequentemente coinvolti è la modificazione del sistema depressionario aleutinico e del pattern Pacific–North American. Garfinkel e Hartmann hanno mostrato che durante gli eventi ENSO caldi le teleconnessioni troposferiche extratropicali tendono a intensificare la componente di numero d’onda zonale 1 e a ridurre quella di numero d’onda 2; nel bilancio complessivo prevale l’incremento della prima componente, con un maggiore forcing ondulatorio capace di perturbare e indebolire il vortice polare stratosferico.
Le onde planetarie generate o amplificate nella troposfera possono propagarsi verticalmente verso la stratosfera quando la struttura del vento zonale crea condizioni dinamiche favorevoli. Una volta raggiunta la stratosfera, la loro dissipazione e il loro breaking trasferiscono quantità di moto alla circolazione media, esercitando una decelerazione sui forti venti occidentali del vortice polare. Quando il forcing ondulatorio è sufficientemente intenso e persistente, il vortice può deformarsi, spostarsi rispetto al Polo oppure dividersi in due strutture distinte. Nei casi estremi la decelerazione evolve fino all’inversione dei venti zonali, accompagnata dalla forte subsidenza dinamica e dal riscaldamento adiabatico della stratosfera polare caratteristici dei major SSW. Butler et al. sottolineano infatti che il breaking delle onde planetarie provenienti dalla troposfera rappresenta il meccanismo fondamentale alla base di questi eventi, che possono produrre incrementi termici di diverse decine di kelvin nella media e alta stratosfera in pochi giorni.
Da questo punto di vista El Niño fornisce un quadro relativamente coerente. Già Camp e Tung, analizzando quasi mezzo secolo di osservazioni stratosferiche, avevano evidenziato temperature polari invernali significativamente più elevate durante gli eventi ENSO caldi rispetto agli eventi freddi. Nel loro studio, la differenza nella struttura termica stratosferica associata alle due fasi ENSO raggiungeva circa 4 K nel segnale statistico utilizzato per separare le condizioni calde e fredde, mostrando che l’influenza di ENSO sulla stratosfera polare era sufficientemente forte da risultare statisticamente significativa. La successiva letteratura ha consolidato l’idea secondo cui El Niño tende, mediamente, a essere associato a un vortice polare più caldo e più debole, a un maggiore flusso ondulatorio verticale e a una circolazione di Brewer–Dobson più intensa. La revisione di Domeisen, Garfinkel e Butler mostra infatti che l’impatto di ENSO non rimane confinato alla troposfera, ma raggiunge la stratosfera tropicale ed extratropicale, modificando la forza e la variabilità del vortice polare. Durante El Niño, il riscaldamento delle alte latitudini stratosferiche e il raffreddamento della bassa stratosfera tropicale sono coerenti con un rafforzamento della circolazione residua di Brewer–Dobson e con una maggiore propagazione verticale delle onde nelle regioni extratropicali.
Questo quadro, tuttavia, non implica che ogni inverno di El Niño debba necessariamente produrre un SSW. Ed è precisamente questo uno dei punti fondamentali per interpretare correttamente la relazione statistica. ENSO modifica lo stato medio della circolazione atmosferica e quindi le condizioni nelle quali il vortice polare evolve, ma non rappresenta necessariamente il meccanismo immediato che innesca ogni singolo evento. Un El Niño può predisporre il sistema verso un vortice mediamente più debole e maggiormente suscettibile all’azione delle onde planetarie, aumentando così la probabilità che una forte pulsazione di wave activity riesca a produrre una perturbazione importante. Il verificarsi concreto di un SSW dipende però anche dalla variabilità atmosferica interna, dai blocchi troposferici, dalla configurazione delle onde planetarie, dallo stato precedente del vortice, dalla QBO e dalla sequenza temporale dei flussi di quantità di moto ed energia provenienti dalla troposfera. Parlare quindi di un rapporto ENSO–SSW significa parlare prevalentemente di una modulazione probabilistica, non di una relazione deterministica di causa ed effetto.
Questo aspetto diventa ancora più evidente nel caso di La Niña. Una rappresentazione lineare e simmetrica della risposta atmosferica potrebbe suggerire che, se El Niño indebolisce e riscalda il vortice, La Niña debba rafforzarlo e raffreddarlo, producendo quindi un numero inferiore di SSW. A livello dello stato medio stagionale questa tendenza è effettivamente osservata in numerosi studi. Tuttavia, la variabilità subseasonal del vortice non segue necessariamente una simmetria così semplice. Butler e Polvani, utilizzando il record osservativo disponibile all’inizio degli anni Duemiladieci, mostrarono sorprendentemente che gli SSW potevano risultare frequenti non soltanto durante El Niño, ma anche durante La Niña, suggerendo inizialmente che entrambe le fasi ENSO potessero favorire un aumento della variabilità stratosferica rispetto alle condizioni neutrali.
È proprio su questa apparente contraddizione che interviene lo studio di Song e Son. Gli autori dimostrano che l’aumento degli SSW durante El Niño è sostanzialmente indipendente dalla definizione utilizzata: tutte e sette le definizioni considerate identificano più eventi negli inverni di El Niño rispetto a quelli ENSO neutrali. Per La Niña, al contrario, soltanto tre definizioni, compresa quella tradizionale basata sull’inversione dei venti a 60°N e 10 hPa, producono una frequenza degli SSW superiore a quella degli anni neutrali. Le altre definizioni forniscono frequenze simili oppure addirittura inferiori. L’aspetto particolarmente significativo è che tale risultato rimane qualitativamente invariato modificando il dataset di rianalisi, l’indice ENSO o il dataset della temperatura superficiale marina. Ne deriva che l’incertezza non sembra derivare semplicemente dalla scelta di uno specifico prodotto osservativo, ma costituisce una caratteristica intrinseca della relazione tra La Niña e la variabilità stratosferica estrema.
La spiegazione proposta coinvolge la diversa struttura del vento di fondo, la differente estensione latitudinale dell’inversione dei venti e le caratteristiche dell’attività ondulatoria planetaria negli inverni di El Niño e La Niña. Due eventi che vengono classificati entrambi come major SSW utilizzando l’inversione del vento a una singola latitudine possono infatti avere strutture spaziali sostanzialmente differenti. In un caso l’inversione può estendersi su un’ampia fascia della stratosfera polare, indicando una profonda riorganizzazione del vortice; in un altro può risultare maggiormente confinata a determinate latitudini. Una definizione basata su un punto latitudinale specifico può pertanto attribuire lo stesso status a perturbazioni dinamicamente differenti. Questo spiega perché la frequenza degli SSW attribuita a La Niña possa cambiare considerevolmente quando vengono modificati i criteri diagnostici.
Il problema diventa ancora più interessante considerando che il vortice polare non risponde solamente all’ampiezza totale delle onde planetarie, ma anche alla loro struttura spaziale e al numero d’onda dominante. Il forcing associato al numero d’onda 1 tende frequentemente a produrre grandi dislocazioni del vortice rispetto al Polo, mentre un’importante amplificazione del numero d’onda 2 può favorire configurazioni compatibili con lo splitting del vortice. Le diverse fasi ENSO possono alterare la configurazione delle onde stazionarie troposferiche e quindi predisporre la stratosfera a differenti modalità di perturbazione. Ciò rende difficile rappresentare la risposta del vortice mediante una semplice relazione lineare nella quale El Niño corrisponde necessariamente a molti SSW e La Niña a pochi SSW.
La letteratura più recente ha ulteriormente rafforzato questa interpretazione. Palmeiro e collaboratori, utilizzando l’estensione della rianalisi ERA5 e tre modelli climatici, hanno riesaminato l’influenza di ENSO sulla frequenza, sulla stagionalità e sul precondizionamento degli SSW. I risultati mostrano che ENSO sembra esercitare un’influenza particolarmente chiara sullo stato medio stagionale del vortice: El Niño tende a renderlo più debole e maggiormente dislocato, mentre La Niña tende a produrre un vortice più forte e stabile. Tuttavia, gli autori concludono che l’attività ondulatoria direttamente forzata da ENSO non costituisce necessariamente il trigger finale dei singoli SSW. Nell’analisi emerge infatti un importante precursore ondulatorio sull’Eurasia, presente indipendentemente dalla fase ENSO e largamente riconducibile alla variabilità interna dell’atmosfera. Durante El Niño tale configurazione tende a essere maggiormente caratterizzata dal numero d’onda 1, mentre durante La Niña assume un contributo relativamente maggiore del numero d’onda 2.
Questi risultati permettono di formulare una distinzione concettuale essenziale: ENSO può agire come elemento di precondizionamento della stratosfera senza essere necessariamente la causa immediata dell’SSW. Nel lavoro di Palmeiro et al., El Niño sembra inoltre favorire maggiormente la comparsa degli eventi nella parte centrale dell’inverno, in particolare tra gennaio e febbraio, piuttosto che determinare semplicemente un aumento uniforme della frequenza complessiva durante tutta la stagione. Nell’intervallo 1950–2021 analizzato mediante ERA5, gli inverni con SSW risultano frequenti indipendentemente dalla presenza di El Niño o La Niña e dalla particolare definizione utilizzata, mettendo ulteriormente in evidenza quanto sia difficile isolare una semplice causalità ENSO–SSW dall’elevata variabilità interna dell’atmosfera extratropicale.
Questa interpretazione aiuta anche a comprendere perché la previsione stagionale della stratosfera non possa basarsi esclusivamente sullo stato di ENSO. Conoscere in anticipo la presenza di un forte El Niño può fornire informazioni sullo stato statisticamente favorito del vortice polare, sul forcing ondulatorio climatologico e sulle probabilità relative di determinate configurazioni stratosferiche, ma non consente di affermare che durante quell’inverno si verificherà necessariamente un SSW. Allo stesso modo, un inverno dominato da La Niña non impedisce il verificarsi di un grande riscaldamento stratosferico. L’evoluzione concreta dipende dall’interazione tra forcing tropicale, onde planetarie, circolazione extratropicale, blocking, variabilità interna e condizioni stratosferiche preesistenti. La revisione di Domeisen et al. sottolinea infatti che la teleconnessione ENSO–stratosfera presenta importanti non linearità e può dipendere dalla tipologia e dall’intensità dell’evento ENSO, oltre che dall’interazione con altri modi di variabilità climatica.
L’importanza di questa problematica va inoltre oltre la dinamica della stratosfera. Un SSW può modificare la circolazione stratosferica per settimane e, in alcuni casi, le anomalie associate possono propagarsi progressivamente verso il basso influenzando la troposfera. Il lavoro classico di Baldwin e Dunkerton mostrò che le grandi anomalie della circolazione stratosferica possono essere seguite da regimi troposferici persistenti e da modificazioni della probabilità delle fasi dell’Arctic Oscillation e della North Atlantic Oscillation, delle storm tracks e degli estremi meteorologici alle medie latitudini. Questo non significa che ogni SSW produca automaticamente un’ondata di freddo in Europa o una NAO negativa, ma dimostra che lo stato della stratosfera può modificare le probabilità dei regimi di circolazione troposferica nelle settimane successive. Proprio per questa ragione comprendere se ENSO modifichi la probabilità degli SSW è rilevante anche per la previsione subseasonal e stagionale dell’inverno nell’emisfero settentrionale.
Lo studio di Song e Son assume quindi un significato metodologico e fisico più ampio. Dal punto di vista metodologico dimostra che una relazione climatica apparentemente consolidata può dipendere dalla variabile utilizzata per rappresentare il fenomeno. Questo concetto si collega direttamente alle conclusioni di Butler et al., secondo cui non esiste una definizione di SSW perfetta per ogni finalità scientifica, ma è necessario comprendere quale caratteristica della variabilità stratosferica venga selezionata dal criterio adottato. Dal punto di vista dinamico, invece, il lavoro mostra che El Niño e La Niña non devono necessariamente essere considerati come semplici immagini speculari. La risposta della circolazione atmosferica alle anomalie tropicali è intrinsecamente non lineare e viene filtrata dalla struttura tridimensionale del flusso atmosferico, dalla posizione delle onde stazionarie, dalla forza del vortice e dall’interazione con la variabilità extratropicale.
Nel complesso, le evidenze disponibili suggeriscono quindi un quadro più articolato rispetto all’idea secondo cui “ENSO provoca gli SSW”. El Niño rappresenta una condizione capace di modificare in modo relativamente robusto la stratosfera boreale, favorendo mediamente un vortice polare più debole, una maggiore attività ondulatoria verso la stratosfera e una frequenza degli SSW superiore rispetto agli inverni ENSO neutrali secondo numerosi criteri diagnostici. Per La Niña la situazione è assai meno lineare: il vortice stagionale tende generalmente a essere più forte, ma la frequenza degli SSW osservati può risultare maggiore, simile o minore rispetto agli anni neutrali in funzione della definizione utilizzata e delle caratteristiche dinamiche degli eventi. La componente determinante sembra essere quindi l’interazione tra il precondizionamento imposto da ENSO e gli impulsi ondulatori prodotti dalla variabilità atmosferica interna. In questa prospettiva, ENSO non deve essere considerato un interruttore capace di accendere o spegnere i riscaldamenti stratosferici improvvisi, bensì uno degli elementi che modificano l’ambiente dinamico entro il quale essi possono svilupparsi.
È precisamente questa distinzione a rendere lo studio di Song e Son particolarmente importante per la meteorologia e la climatologia stratosferica: una fase ENSO può alterare la probabilità e le caratteristiche della risposta del vortice polare, ma la realizzazione di un SSW dipende da una catena dinamica molto più complessa. La successiva letteratura, compreso il riesame di Palmeiro et al. del 2023, ha sostanzialmente rafforzato questa visione, distinguendo sempre più chiaramente la modulazione stagionale del vortice esercitata dall’ENSO dall’attività ondulatoria transitoria che può costituire il vero innesco dell’evento. La relazione ENSO–SSW dovrebbe quindi essere interpretata in termini probabilistici, dinamici e multiscala: El Niño e La Niña modificano lo stato di fondo e la propagazione delle onde planetarie, mentre l’effettiva destabilizzazione del vortice nasce dall’interazione di questi fattori con la variabilità troposferica e stratosferica interna. È proprio questa complessità a spiegare perché due inverni caratterizzati dalla stessa fase ENSO possano evolvere in maniera radicalmente differente e perché, nella previsione del comportamento del vortice polare, ENSO debba essere analizzato insieme alla QBO, all’attività delle onde planetarie, al blocking troposferico, alla configurazione del vortice e agli altri principali fattori di variabilità dell’atmosfera invernale.
1. Introduzione
El Niño–Southern Oscillation (ENSO) rappresenta la principale modalità di variabilità interannuale del sistema climatico tropicale e costituisce uno dei più importanti meccanismi attraverso cui le anomalie oceaniche del Pacifico equatoriale possono influenzare la circolazione atmosferica ben oltre la regione nella quale hanno origine. Sebbene gli effetti di ENSO siano tradizionalmente studiati soprattutto nella troposfera, attraverso le modificazioni della convezione tropicale, della circolazione di Walker, delle onde di Rossby e delle principali teleconnessioni extratropicali, numerose evidenze osservative e modellistiche hanno dimostrato che la sua influenza può propagarsi anche nella stratosfera. Il lavoro di Song e Son, Revisiting the ENSO–SSW Relationship, si colloca precisamente all’interno di questo quadro e affronta una questione particolarmente rilevante: stabilire fino a che punto le differenti fasi di ENSO possano modificare non soltanto lo stato medio stagionale del vortice polare stratosferico, ma anche la probabilità che si verifichino eventi estremi quali i riscaldamenti stratosferici improvvisi, o Stratospheric Sudden Warmings (SSW). La distinzione tra questi due aspetti, stato medio del vortice e probabilità di eventi estremi, è fondamentale, perché essi non rispondono necessariamente nello stesso modo alla forzante tropicale. È proprio questa apparente contraddizione a costituire uno dei nuclei concettuali dello studio di Song e Son.
L’influenza di ENSO sulla stratosfera extratropicale dell’emisfero settentrionale era stata riconosciuta già negli studi pionieristici di Horel e Wallace e di van Loon e Labitzke, che mostrarono come le anomalie della circolazione tropicale associate alle temperature superficiali del Pacifico potessero essere collegate a modificazioni della struttura atmosferica delle medie e alte latitudini. Successivamente, osservazioni e simulazioni numeriche hanno chiarito che durante gli inverni di El Niño il vortice polare stratosferico tende mediamente a essere più caldo e più debole, mentre durante La Niña tende ad assumere caratteristiche opposte, risultando mediamente più freddo e intenso. Questo segnale è sufficientemente robusto da essere riconoscibile nelle osservazioni di lungo periodo: le analisi radiosondistiche riportano differenze della temperatura stratosferica artica superiori a circa 4 K tra gli inverni caratterizzati dalle due fasi opposte di ENSO. La successiva revisione di Domeisen, Garfinkel e Butler ha confermato che El Niño è generalmente associato a un riscaldamento e a un indebolimento del vortice polare, a un raffreddamento della bassa stratosfera tropicale e a una maggiore propagazione verticale delle onde nelle regioni extratropicali, mentre durante La Niña le anomalie tendono spesso ad assumere segno opposto.
Il collegamento dinamico tra il Pacifico tropicale e la stratosfera polare non deve essere interpretato come una semplice propagazione verso nord delle anomalie termiche oceaniche. Il meccanismo coinvolge una complessa sequenza di interazioni tra oceano, convezione tropicale, circolazione troposferica e onde planetarie. Durante El Niño, il riscaldamento anomalo delle acque del Pacifico equatoriale modifica profondamente la posizione e l’intensità della convezione tropicale e quindi la distribuzione del riscaldamento diabatico atmosferico. Questa perturbazione rappresenta una sorgente per le onde di Rossby troposferiche e modifica la circolazione del Pacifico settentrionale, inclusa l’intensità e la configurazione della depressione aleutinica e delle anomalie geopotenziali associate alle teleconnessioni extratropicali. Tali modificazioni possono alterare l’ampiezza delle onde planetarie quasi stazionarie e le condizioni attraverso cui queste onde si propagano verticalmente dalla troposfera verso la stratosfera. La stratosfera invernale, caratterizzata da forti venti occidentali, può infatti costituire una guida d’onda particolarmente efficace per la propagazione verticale delle grandi onde planetarie. Quando tali onde raggiungono la stratosfera e vengono dissipate o subiscono breaking, trasferiscono quantità di moto alla circolazione zonale media e possono rallentare sensibilmente i venti occidentali del vortice polare.
Questo meccanismo consente di comprendere perché El Niño sia frequentemente associato a un vortice polare indebolito. L’aumento del forcing ondulatorio proveniente dalla troposfera intensifica la decelerazione della circolazione occidentale stratosferica e favorisce una circolazione meridiana residua più intensa, associata a maggiore risalita dell’aria nella stratosfera tropicale e maggiore subsidenza alle alte latitudini. Quest’ultima produce riscaldamento adiabatico nella regione polare, contribuendo alle anomalie termiche positive osservate durante molti inverni di El Niño. La teleconnessione ENSO–stratosfera è quindi strettamente legata anche alla circolazione di Brewer–Dobson: la revisione di Domeisen et al. evidenzia come durante El Niño il riscaldamento della stratosfera polare e il raffreddamento della bassa stratosfera tropicale possano essere interpretati come manifestazioni coerenti di una circolazione di Brewer–Dobson più intensa.
Questa risposta media stagionale, tuttavia, non deve essere automaticamente identificata con la probabilità di osservare un SSW. Un riscaldamento stratosferico improvviso rappresenta infatti una perturbazione transitoria ed estrema della circolazione polare, generalmente prodotta da un’intensa e concentrata deposizione di momento da parte delle onde planetarie. Nel caso dei major SSW, l’indebolimento del vortice può diventare così pronunciato da determinare l’inversione dei venti zonali climatologicamente occidentali nella stratosfera polare. Si verifica contemporaneamente un rapido e intenso riscaldamento delle alte latitudini stratosferiche e una profonda riorganizzazione della struttura del vortice. L’importanza di questi eventi deriva non soltanto dalla loro spettacolare dinamica stratosferica, ma anche dalla capacità che alcuni di essi possiedono di influenzare successivamente la troposfera per diverse settimane, modificando la probabilità di particolari configurazioni della corrente a getto, della North Atlantic Oscillation e dell’Arctic Oscillation.
La possibilità di una vera e propria via stratosferica attraverso la quale ENSO può contribuire alla prevedibilità meteorologica delle medie latitudini è stata illustrata in maniera particolarmente efficace da Ineson e Scaife. Attraverso esperimenti con un modello atmosferico esteso nella stratosfera, gli autori mostrarono una teleconnessione che collega il Pacifico tropicale all’Europa passando attraverso la stratosfera: le anomalie indotte da El Niño possono modificare il vortice polare e la risposta stratosferica può successivamente contribuire alla configurazione della circolazione troposferica nordatlantica ed europea. Questo risultato ha avuto importanti implicazioni per la previsione stagionale, perché dimostra che la stratosfera non è semplicemente una regione atmosferica passivamente influenzata dalla troposfera, ma può costituire un elemento intermedio capace di modulare la risposta superficiale a una forzante tropicale.
È tuttavia proprio passando dalla scala stagionale a quella subseasonal che la relazione ENSO–vortice polare diventa più complessa. Se si considerasse soltanto la risposta media stagionale, sarebbe ragionevole aspettarsi una relazione relativamente semplice: El Niño dovrebbe favorire un vortice più debole e quindi una maggiore probabilità di SSW, mentre La Niña, essendo associata a un vortice mediamente più forte, dovrebbe ridurre la probabilità di tali eventi. Per El Niño questa aspettativa trova effettivamente un ampio sostegno osservativo. Song e Son mostrano che, indipendentemente dalla definizione di SSW utilizzata nel loro studio, gli eventi vengono identificati più frequentemente durante gli inverni di El Niño rispetto agli inverni ENSO neutrali. Questo risultato è coerente con la maggiore attività delle onde planetarie e con il conseguente precondizionamento di un vortice polare più vulnerabile alle perturbazioni provenienti dalla troposfera.
La Niña rappresenta invece il vero problema interpretativo. Butler e Polvani, riesaminando 53 anni di rianalisi, ottennero un risultato sorprendente: i major SSW risultavano quasi due volte più frequenti durante gli inverni ENSO rispetto agli inverni neutrali, ma la loro frequenza appariva sostanzialmente simile tra El Niño e La Niña. Nel periodo da loro considerato, 1958–2010, furono identificati 34 major SSW nella rianalisi NCEP–NCAR; soltanto sette si verificarono durante condizioni ENSO neutrali, mentre 13 erano associati a El Niño e 14 a La Niña. Una verifica con le rianalisi ECMWF fornì un quadro qualitativamente simile. Questo risultato suggeriva quindi un comportamento apparentemente paradossale: lo stato medio stagionale del vortice rispondeva alle due fasi ENSO con segno opposto, mentre la frequenza degli eventi estremi risultava elevata durante entrambe.
Garfinkel e collaboratori tentarono successivamente di interpretare questa apparente contraddizione mostrando che la risposta stagionale media del vortice e i precursori dinamici di un SSW non devono necessariamente essere considerati equivalenti. In particolare, la regione del Pacifico settentrionale maggiormente collegata ai precursori troposferici degli SSW non coincide perfettamente con la regione nella quale le classiche teleconnessioni ENSO raggiungono la loro massima espressione. Nelle rianalisi analizzate dagli autori, tanto El Niño quanto La Niña potevano aumentare la probabilità di configurazioni estreme nella regione del Pacifico nordoccidentale maggiormente importante per il forcing degli SSW. Ne consegue che una fase di La Niña può essere associata a un vortice stagionalmente più intenso senza impedire che, in determinati momenti dell’inverno, la troposfera produca una configurazione ondulatoria particolarmente efficace nel destabilizzarlo.
Un elemento centrale della spiegazione riguarda la struttura delle onde planetarie. Durante El Niño tende a essere particolarmente importante l’amplificazione della componente con numero d’onda zonale 1, mentre durante alcuni inverni di La Niña può aumentare il contributo della componente con numero d’onda zonale 2. Queste onde rappresentano differenti configurazioni della circolazione planetaria attorno all’emisfero. Una marcata amplificazione del numero d’onda 1 tende spesso a produrre una forte asimmetria del vortice e può favorirne lo spostamento rispetto al Polo, mentre un contributo particolarmente intenso del numero d’onda 2 può favorire deformazioni del vortice più complesse e, in alcuni casi, contribuire alle condizioni associate alla sua divisione in due strutture principali. La corrispondenza non è però perfettamente deterministica: non ogni amplificazione del numero d’onda 1 genera un evento di tipo displacement e non ogni intensificazione del numero d’onda 2 conduce a uno split. Ciò che conta è l’interazione complessiva tra ampiezza, fase, propagazione verticale delle onde e stato preesistente della circolazione stratosferica.
La sensibilità del vortice a tali perturbazioni dipende infatti fortemente dalla struttura del flusso di fondo. Le onde planetarie non si propagano attraverso l’atmosfera indipendentemente dalla circolazione nella quale sono immerse: l’intensità e la distribuzione latitudinale e verticale dei venti zonali possono facilitare, deviare oppure impedire la loro propagazione verso la stratosfera. Il vortice polare deve quindi essere considerato contemporaneamente come destinatario e regolatore del forcing ondulatorio. Un vortice con una particolare configurazione del vento può permettere a un impulso di attività ondulatoria di penetrare fino alla stratosfera polare, mentre una configurazione differente può riflettere o deviare parte di quella stessa attività. Questa interazione non lineare contribuisce a spiegare perché la risposta degli SSW a ENSO sia molto meno semplice della risposta della temperatura o del vento medio stagionale.
Il lavoro di Song e Son introduce a questo punto un ulteriore elemento fondamentale: la frequenza degli SSW durante La Niña dipende sensibilmente da come viene definito un SSW. Gli autori applicano sette differenti criteri diagnostici, già utilizzati nella letteratura, e mostrano che tutti concordano nel rilevare un aumento degli eventi durante El Niño rispetto alle condizioni neutrali, mentre soltanto tre indicano una frequenza maggiore durante La Niña. Le altre definizioni restituiscono frequenze paragonabili a quelle degli inverni neutrali oppure addirittura inferiori. Il risultato rimane qualitativamente robusto modificando i dataset di rianalisi, gli indici ENSO e i dataset delle SST, indicando che non si tratta semplicemente di un artefatto prodotto da una particolare sorgente osservativa.
Questo risultato possiede importanti implicazioni metodologiche. La definizione tradizionale di major SSW basata sull’inversione del vento zonale a 60°N e 10 hPa identifica un cambiamento molto specifico della circolazione. Essa non descrive necessariamente l’intera estensione spaziale dell’inversione, la geometria del vortice o l’intensità complessiva della perturbazione. Due eventi possono quindi soddisfare lo stesso criterio a 60°N pur presentando strutture molto differenti alle latitudini circostanti. Song e Son mostrano che proprio l’estensione latitudinale dell’inversione del vento costituisce una delle differenze importanti tra gli SSW associati alle due fasi ENSO. Questo significa che il numero di eventi attribuiti a La Niña può aumentare o diminuire a seconda della caratteristica dinamica selezionata dalla definizione utilizzata.
Il problema evidenzia inoltre la necessità di distinguere chiaramente tra climatologia media ed eventi estremi. Un vortice polare stagionalmente forte non esclude necessariamente la presenza di brevi intervalli nei quali un intenso impulso ondulatorio produce una brusca decelerazione della circolazione. Analogamente, un vortice stagionalmente debole non implica automaticamente il verificarsi di un major SSW, perché la soglia richiesta per classificare formalmente l’evento può non essere raggiunta. Garfinkel et al. hanno mostrato esplicitamente che la risposta stagionale del vortice a ENSO è soltanto debolmente collegata alla frequenza relativa degli SSW negli inverni di El Niño e La Niña. I modelli capaci di riprodurre correttamente la risposta media stagionale del vortice non necessariamente simulano in maniera altrettanto realistica la frequenza degli SSW, e viceversa.
Questa distinzione è particolarmente importante anche per la modellistica climatica. Gli studi numerici non hanno sempre riprodotto l’elevata frequenza degli SSW durante La Niña suggerita da alcune analisi osservative. Le differenze possono dipendere dalla rappresentazione delle teleconnessioni del Pacifico settentrionale, dalla climatologia del vortice, dalla variabilità interna del modello e dalla capacità di simulare correttamente la propagazione delle onde planetarie nella stratosfera. Garfinkel et al. hanno mostrato che la capacità dei modelli di riprodurre la relazione osservata tra ENSO e SSW è strettamente collegata alla capacità delle teleconnessioni ENSO simulate di raggiungere la regione del Pacifico settentrionale maggiormente associata ai precursori degli SSW. Quando la struttura spaziale delle teleconnessioni risulta spostata o eccessivamente estesa, anche la frequenza simulata dei riscaldamenti stratosferici nelle diverse fasi ENSO può risultare alterata.
Un ulteriore limite deriva dalla lunghezza relativamente ridotta della documentazione osservativa stratosferica affidabile. Gli SSW sono eventi relativamente poco frequenti e la suddivisione del record in inverni di El Niño, La Niña e ENSO neutrali riduce ulteriormente il numero di casi disponibili in ciascun campione. Differenze di pochi eventi possono quindi modificare significativamente le frequenze relative. Proprio per questo Song e Son sottolineano l’importanza di verificare la robustezza dei risultati utilizzando differenti rianalisi, dataset SST, indici ENSO e soprattutto differenti definizioni degli eventi. La questione non riguarda quindi soltanto la significatività statistica, ma anche la rappresentatività fisica delle categorie utilizzate per descrivere la variabilità stratosferica.
La relazione tra ENSO e stratosfera deve inoltre essere considerata all’interno di un sistema climatico nel quale agiscono contemporaneamente numerosi altri fattori. La Quasi-Biennial Oscillation, lo stato della neve continentale, la variabilità della circolazione troposferica, il blocking, le anomalie dell’oceano Pacifico settentrionale e dell’Atlantico, nonché la variabilità interna delle onde planetarie, possono modificare il background attraverso il quale il segnale ENSO viene trasmesso. La revisione di Domeisen, Garfinkel e Butler sottolinea infatti la presenza di importanti non linearità nella teleconnessione ENSO–stratosfera e richiama l’attenzione anche sulla diversità degli eventi ENSO: posizione delle massime anomalie SST, intensità dell’evento e interazione con altri modi di variabilità possono contribuire a modificare sensibilmente la risposta stratosferica.
Da questa prospettiva emerge un concetto particolarmente importante per la previsione stagionale. ENSO deve essere considerato soprattutto come un fattore capace di modificare le probabilità delle differenti configurazioni stratosferiche, non come un determinante univoco della loro evoluzione. Un inverno di El Niño può creare condizioni statisticamente favorevoli a una maggiore attività delle onde planetarie e a un vortice più debole, aumentando la probabilità di perturbazioni stratosferiche importanti; ciò non significa però che un SSW debba necessariamente verificarsi. Allo stesso modo, La Niña può essere associata a un vortice medio stagionale più freddo e intenso senza escludere la possibilità che specifiche configurazioni troposferiche producano impulsi ondulatori sufficientemente forti da destabilizzarlo rapidamente. Questo carattere probabilistico rappresenta uno degli aspetti più importanti da considerare quando le teleconnessioni ENSO vengono utilizzate nell’interpretazione delle prospettive invernali.
Le conseguenze non rimangono confinate alla stratosfera. Dopo un importante indebolimento del vortice, le anomalie della circolazione possono persistere e talvolta propagarsi verso livelli atmosferici inferiori, influenzando la circolazione troposferica su scale temporali dell’ordine di settimane. È questa persistenza che conferisce alla stratosfera un particolare valore predittivo. La teleconnessione ENSO–stratosfera–troposfera costituisce pertanto una delle possibili vie attraverso cui le anomalie tropicali possono contribuire alla prevedibilità delle medie latitudini. La letteratura mostra che la risposta stratosferica può migliorare la comprensione degli impatti superficiali di ENSO su intervalli temporali più lunghi di quelli tipici della previsione meteorologica deterministica, anche se l’esito specifico rimane condizionato dall’evoluzione interna dell’atmosfera.
L’importanza dello studio di Song e Son risiede dunque nell’aver mostrato che non è sufficiente chiedersi se ENSO influenzi o meno gli SSW: occorre specificare quale fase di ENSO si sta considerando, quale caratteristica del vortice viene analizzata e quale definizione viene utilizzata per identificare un evento. La relazione con El Niño emerge come relativamente robusta: il vortice stagionalmente più debole e l’intensificazione dell’attività ondulatoria planetaria sono accompagnati da una maggiore frequenza degli SSW rispetto agli inverni neutrali attraverso tutte le definizioni esaminate dagli autori. Per La Niña, invece, la relazione risulta molto più sensibile ai criteri diagnostici e riflette differenze nell’intensità del vento di fondo, nell’estensione latitudinale delle inversioni del vento e nella struttura delle onde planetarie.
L’apparente contrasto tra una risposta stagionale quasi lineare del vortice polare a ENSO e una risposta molto più complessa della frequenza degli SSW non costituisce quindi una contraddizione, ma rivela la natura multiscala della dinamica stratosferica. La climatologia stagionale integra l’effetto delle anomalie della circolazione nel corso di diversi mesi, mentre un SSW dipende dall’organizzazione temporale di specifici episodi di forcing ondulatorio che possono svilupparsi nell’arco di pochi giorni o settimane. El Niño e La Niña modificano il contesto nel quale tali episodi si verificano, ma non ne controllano deterministicamente la comparsa. La stratosfera polare risponde all’interazione tra lo stato del vortice, la struttura dei venti, la propagazione delle onde e la variabilità troposferica, ed è proprio tale interazione a determinare se una perturbazione rimarrà moderata oppure evolverà fino a un riscaldamento stratosferico improvviso maggiore.
In definitiva, l’introduzione di Revisiting the ENSO–SSW Relationship pone le basi per una lettura più rigorosa e meno deterministica del rapporto tra Pacifico tropicale e vortice polare. Le evidenze scientifiche indicano con buona coerenza che El Niño tende a indebolire e riscaldare la stratosfera polare dell’emisfero settentrionale, attraverso un aumento del forcing ondulatorio e una modificazione della circolazione meridiana stratosferica. La Niña tende mediamente a produrre anomalie opposte, ma il comportamento degli eventi estremi non rappresenta semplicemente l’immagine speculare di quello osservato durante El Niño. I risultati di Butler e Polvani e di Garfinkel et al. avevano suggerito una frequenza elevata degli SSW durante entrambe le fasi ENSO; Song e Son mostrano però che la robustezza di questa conclusione è nettamente maggiore per El Niño e assai più debole per La Niña, poiché dipende sensibilmente dal modo in cui viene definito l’evento stratosferico. Questo passaggio concettuale è essenziale: ENSO modifica il terreno dinamico sul quale evolve il vortice polare, mentre la comparsa di un SSW deriva dalla combinazione tra tale precondizionamento e gli impulsi di attività ondulatoria generati dalla variabilità atmosferica. Di conseguenza, comprendere la relazione ENSO–SSW richiede di analizzare congiuntamente la circolazione di fondo, la struttura delle onde planetarie, l’estensione spaziale delle perturbazioni del vortice e i criteri utilizzati per identificare gli eventi estremi, evitando di trasformare una complessa relazione probabilistica in una semplice associazione causale tra El Niño, La Niña e riscaldamenti stratosferici improvvisi.
La Figura 1 dello studio di Song e Son costituisce uno degli elementi concettualmente più importanti per comprendere la complessità della relazione tra El Niño–Southern Oscillation e la dinamica del vortice polare stratosferico, perché mette direttamente a confronto due proprietà che, pur essendo strettamente collegate, non sono equivalenti: da una parte l’intensità media stagionale della circolazione zonale stratosferica e dall’altra la sua variabilità giornaliera durante l’inverno boreale. Il confronto fra questi due aspetti mostra in maniera particolarmente chiara che la risposta media del vortice polare alle fasi opposte di ENSO presenta una struttura relativamente lineare, mentre la variabilità subseasonal segue un comportamento molto più complesso e non necessariamente simmetrico. Questa distinzione rappresenta il punto di partenza per comprendere perché la frequenza dei riscaldamenti stratosferici improvvisi non possa essere dedotta direttamente dalla semplice forza media stagionale del vortice polare.
Nel pannello superiore della figura viene mostrato il profilo latitudinale delle anomalie del vento zonale medio zonale a 10 hPa durante dicembre, gennaio e febbraio. La quota corrispondente al livello di 10 hPa si trova approssimativamente nella media stratosfera e rappresenta una regione particolarmente rilevante per lo studio del vortice polare invernale e dei major SSW. Le curve distinguono gli inverni di El Niño, quelli ENSO neutrali e quelli di La Niña. Procedendo dalle medie latitudini verso il Polo, la risposta delle due fasi ENSO diventa progressivamente più marcata. Durante El Niño il vento zonale mostra anomalie prevalentemente negative nella fascia delle medio-alte latitudini, raggiungendo un minimo di circa 2,5–2,7 metri al secondo al di sotto della climatologia intorno a 65°N. Questa configurazione indica che il vortice polare stratosferico tende mediamente a essere più debole durante gli inverni di El Niño. La Niña presenta invece una struttura quasi opposta: le anomalie diventano fortemente positive tra circa 50° e 80°N, raggiungendo un massimo superiore a 2 metri al secondo intorno a 65°N, segnalando un vortice mediamente più intenso.
Questa opposizione è coerente con una vasta letteratura sviluppatasi a partire dagli studi pionieristici sulla relazione tra ENSO e stratosfera polare. Van Loon e Labitzke mostrarono già negli anni Ottanta che la fase di ENSO può essere associata a differenze sistematiche nella temperatura e nella circolazione della stratosfera artica. Successivamente, Manzini e collaboratori, utilizzando simulazioni con modelli atmosferici dotati di una rappresentazione estesa della stratosfera, evidenziarono che El Niño tende a essere associato a un aumento dell’attività ondulatoria proveniente dalla troposfera, a un riscaldamento della stratosfera polare e a un indebolimento dei venti occidentali. Calvo e collaboratori confermarono ulteriormente questa struttura mostrando come la risposta stratosferica a ENSO fosse collegata alle modificazioni della propagazione verticale delle onde planetarie e della circolazione meridiana residua. Le osservazioni radiosondistiche analizzate da Free e Seidel indicarono inoltre che la differenza nella temperatura della stratosfera artica tra El Niño e La Niña può superare i 4 K, confermando che la teleconnessione tropicale possiede un segnale osservabile anche alle alte latitudini stratosferiche.
Il meccanismo responsabile di questa risposta passa principalmente attraverso le onde planetarie. ENSO modifica profondamente la distribuzione della convezione tropicale e del riscaldamento diabatico nel Pacifico, alterando la circolazione di Walker e generando anomalie nella propagazione delle onde di Rossby verso le regioni extratropicali. La risposta troposferica modifica a sua volta la struttura della depressione aleutinica, del geopotenziale nordpacifico e delle onde planetarie quasi stazionarie. Durante El Niño queste modificazioni possono favorire un aumento della propagazione verticale delle onde verso la stratosfera. Quando le onde planetarie raggiungono la regione del vortice polare e interagiscono con il flusso medio, trasferiscono momento e tendono a decelerare i forti venti occidentali stratosferici. Il risultato è un indebolimento della circolazione zonale e un’intensificazione della circolazione meridiana residua, con maggiore subsidenza dell’aria nella stratosfera polare. La compressione adiabatica associata alla subsidenza contribuisce al riscaldamento delle alte latitudini e alla riduzione della forza del vortice.
La Niña tende, nella media stagionale, a produrre una risposta di segno opposto. Le anomalie della convezione tropicale e delle teleconnessioni extratropicali modificano la configurazione delle onde planetarie in modo tale da risultare mediamente meno efficace nel frenare il vortice polare. Di conseguenza, la circolazione occidentale stratosferica può risultare più intensa e la regione polare più fredda. È questo comportamento che genera nel pannello superiore della Figura 1 una relazione quasi lineare tra la fase di ENSO e la forza stagionale del vortice: El Niño è associato a un vortice più debole, La Niña a un vortice più forte, mentre gli inverni neutrali occupano generalmente una posizione intermedia.
Questa relazione non deve tuttavia essere interpretata in senso deterministico. Un’anomalia negativa del vento zonale non equivale automaticamente a un’inversione del vento e quindi non significa necessariamente che si sia verificato un major SSW. Allo stesso modo, un vortice mediamente forte durante una stagione di La Niña non esclude la possibilità che nel corso dell’inverno si verifichi una perturbazione particolarmente intensa capace di provocare una temporanea o completa inversione dei venti zonali. La Figura 1 diventa particolarmente interessante proprio quando si confronta il pannello superiore con quello inferiore, perché quest’ultimo mostra che la variabilità del vortice non segue la stessa struttura della sua intensità media.
Nel pannello inferiore viene rappresentata infatti l’anomalia della deviazione standard giornaliera del vento zonale a 10 hPa. Questa quantità descrive quanto fortemente il vento oscilla attorno al proprio valore medio durante la stagione. Un valore positivo indica che la circolazione è più variabile rispetto alla climatologia, mentre un valore negativo segnala una variabilità ridotta. La caratteristica più evidente è che, alle medio-alte latitudini, tanto El Niño quanto La Niña possono essere associati a una variabilità maggiore rispetto agli inverni ENSO neutrali. Questa configurazione contrasta nettamente con il comportamento osservato nel pannello superiore.
Durante El Niño la variabilità del vento aumenta notevolmente procedendo verso le alte latitudini. La curva diventa positiva intorno a 60°N e raggiunge un massimo superiore a circa 1 metro al secondo tra 70° e 75°N. Ciò indica che il vortice non soltanto è mediamente più debole, ma tende anche a essere sottoposto a oscillazioni più ampie nel corso della stagione. Questa combinazione appare dinamicamente coerente con una maggiore probabilità di forti perturbazioni stratosferiche: un vortice già indebolito può risultare più vulnerabile a ulteriori impulsi di attività ondulatoria provenienti dalla troposfera.
La Niña presenta tuttavia un comportamento altrettanto interessante. Pur essendo associata, nel pannello superiore, a un vortice mediamente più forte, mostra nel pannello inferiore un netto aumento della variabilità tra circa 50° e 70°N. Il massimo si colloca intorno a 60°–65°N e raggiunge valori di poco superiori a 1 metro al secondo. Questo significa che un vortice stagionalmente intenso può essere contemporaneamente soggetto a forti fluttuazioni temporali. Le due proprietà non sono quindi incompatibili. È perfettamente possibile che durante La Niña i venti occidentali rimangano mediamente più forti nel corso dell’intero inverno ma siano interrotti da episodi transitori di forte decelerazione, capaci in alcuni casi di avvicinare o raggiungere la soglia utilizzata per classificare un SSW.
Gli inverni ENSO neutrali mostrano invece un comportamento molto diverso. La deviazione standard del vento diventa fortemente negativa nella fascia compresa approssimativamente tra 55° e 80°N, con un minimo vicino a 65°N. Il significato fisico è che il vortice tende a essere relativamente meno variabile durante gli inverni neutrali rispetto a quelli caratterizzati dalle due fasi di ENSO. Questo risultato aveva fornito uno degli argomenti a sostegno dell’ipotesi, avanzata soprattutto da Butler e Polvani, secondo cui gli SSW potessero verificarsi più frequentemente sia durante El Niño sia durante La Niña rispetto alle condizioni ENSO neutrali.
Butler e Polvani, analizzando diversi decenni di rianalisi, avevano infatti trovato una frequenza relativamente elevata dei major SSW non soltanto durante El Niño, come sarebbe stato intuitivamente prevedibile sulla base dell’indebolimento medio del vortice, ma anche durante La Niña. Questa osservazione introduceva un apparente paradosso: se La Niña favorisce mediamente un vortice più forte, perché dovrebbe essere associata a un numero relativamente elevato di collassi del vortice? La Figura 1 offre una prima risposta, mostrando che l’intensità media e la variabilità del vortice rappresentano proprietà differenti. Un vortice mediamente forte può comunque mostrare oscillazioni molto ampie, alcune delle quali possono raggiungere le condizioni richieste per un major SSW.
Le ricerche di Garfinkel e collaboratori hanno fornito un importante quadro dinamico per interpretare questa apparente contraddizione. La risposta delle onde planetarie alle due fasi ENSO non è semplicemente opposta in ogni suo aspetto. Durante El Niño tende a intensificarsi soprattutto la componente con numero d’onda zonale 1 nella bassa stratosfera. Questa struttura può esercitare un forte forcing sul vortice e favorirne una marcata dislocazione rispetto al Polo. Durante La Niña, al contrario, la componente di numero d’onda 1 può risultare più debole, mentre può aumentare l’importanza delle onde con numero d’onda zonale 2. Li e Lau, così come Barriopedro e Calvo, hanno mostrato che questa diversa configurazione dell’attività ondulatoria può contribuire a produrre importanti perturbazioni del vortice anche durante La Niña.
Il significato di questa distinzione è fondamentale. Le onde con numero d’onda zonale 1 e 2 non producono necessariamente lo stesso tipo di risposta dinamica. Un forte numero d’onda 1 tende frequentemente ad accentuare l’asimmetria del vortice e a spostarlo rispetto al Polo, mentre un numero d’onda 2 intenso può favorire una deformazione più complessa della struttura polare e, in determinate condizioni, contribuire alla separazione del vortice in due nuclei principali. Tuttavia, non esiste una corrispondenza univoca tra numero d’onda e tipo di SSW, poiché l’evoluzione finale dipende dalla struttura verticale delle onde, dalla loro fase, dalla durata del forcing e dallo stato preesistente della stratosfera.
Il pannello inferiore della Figura 1 suggerisce inoltre che le perturbazioni associate a El Niño e La Niña presentano differenti strutture latitudinali. Il massimo della variabilità durante La Niña si concentra approssimativamente nella regione di 60°–65°N, mentre durante El Niño il massimo è spostato più vicino alle alte latitudini polari. Questa caratteristica assume un’importanza particolare alla luce delle diverse definizioni degli SSW utilizzate nella letteratura. Una delle definizioni più diffuse identifica un major SSW attraverso l’inversione del vento zonale medio a 60°N e 10 hPa. Se durante La Niña la variabilità del vento è particolarmente elevata proprio in prossimità di questa latitudine, la probabilità che il vento superi temporaneamente la soglia diagnostica può risultare relativamente elevata anche in presenza di una circolazione media stagionale più forte.
È proprio questo aspetto che Song e Son esplorano nel resto dello studio. Gli autori mostrano che la relazione tra La Niña e frequenza degli SSW è molto più sensibile alla definizione utilizzata rispetto a quella osservata durante El Niño. Se si adotta una definizione concentrata sull’inversione del vento a una singola latitudine, alcuni eventi associati a La Niña vengono classificati come major SSW. Utilizzando criteri differenti, che valutano altre latitudini o proprietà più estese del vortice, la frequenza relativa può però cambiare notevolmente. La Figura 1 anticipa quindi uno dei risultati principali dello studio: la struttura latitudinale delle anomalie del vento è essenziale per interpretare correttamente la relazione ENSO–SSW.
Questa questione si collega direttamente ai problemi metodologici discussi da Butler e collaboratori nel loro lavoro sulle definizioni degli SSW. Le diverse definizioni utilizzate nella letteratura non individuano necessariamente lo stesso insieme di eventi, perché pongono l’accento su caratteristiche differenti del vortice polare. Alcune sono basate sull’inversione dei venti zonali, altre sulle anomalie geopotenziali, altre ancora sulla geometria del vortice oppure su variabili dinamiche integrate su più ampie regioni. Quando il segnale atmosferico presenta una forte dipendenza dalla latitudine, come suggerisce la Figura 1, la scelta del criterio diagnostico può quindi influire profondamente sulla statistica degli eventi.
Un ulteriore elemento da considerare è che la deviazione standard mostrata nel pannello inferiore non rappresenta direttamente la frequenza degli SSW. Una maggiore variabilità del vento indica una distribuzione più ampia dei valori giornalieri, ma non fornisce informazioni complete sulla probabilità di superare una particolare soglia. Due stagioni possono avere deviazioni standard simili ma distribuzioni differenti, così come un vortice può mostrare variazioni frequenti ma moderate oppure poche variazioni estremamente intense. Di conseguenza, la Figura 1 non dimostra che La Niña provochi necessariamente più SSW, bensì evidenzia che durante La Niña la circolazione può essere sufficientemente variabile da rendere plausibili forti perturbazioni nonostante la maggiore intensità media del vortice.
Questo concetto è estremamente importante anche dal punto di vista della prevedibilità. Il segnale ENSO agisce principalmente modificando il contesto dinamico nel quale evolve il vortice, piuttosto che determinando direttamente il verificarsi di un singolo evento. El Niño tende a creare condizioni statisticamente più favorevoli a un vortice debole e a una maggiore propagazione delle onde planetarie verso la stratosfera. La Niña tende a favorire un vortice medio più forte, ma può contemporaneamente modificare la struttura delle onde e la variabilità del flusso in maniera tale da consentire episodi intensi di perturbazione. L’effettivo sviluppo di un SSW dipende poi dall’interazione tra questo stato di fondo e gli impulsi ondulatori provenienti dalla troposfera.
Tale interpretazione è coerente anche con gli studi sull’accoppiamento stratosfera–troposfera. Cagnazzo e Manzini e, in maniera particolarmente significativa, Ineson e Scaife hanno mostrato che la risposta stratosferica a ENSO può successivamente esercitare un’influenza sulla troposfera sottostante. Un indebolimento persistente del vortice polare può infatti alterare la probabilità di determinate configurazioni della circolazione troposferica, mentre le anomalie stratosferiche possono propagarsi verso il basso nel corso delle settimane successive. Il lavoro classico di Baldwin e Dunkerton aveva già dimostrato che grandi perturbazioni della stratosfera polare possono essere seguite da modificazioni persistenti della circolazione troposferica, spesso caratterizzate da una maggiore probabilità di condizioni simili alla fase negativa dell’Arctic Oscillation.
La Figura 1 assume pertanto un significato che va oltre la semplice rappresentazione delle anomalie del vento. Essa mostra che ENSO influenza almeno due dimensioni distinte della dinamica stratosferica: lo stato medio del vortice e la sua variabilità temporale. Nel primo caso la relazione appare relativamente ordinata e quasi antisimettrica: El Niño indebolisce mediamente il vortice, mentre La Niña lo rafforza. Nel secondo caso la risposta è più complessa, perché entrambe le fasi possono essere associate a un aumento della variabilità rispetto agli inverni neutrali. Questa differenza aiuta a spiegare perché la relazione fra ENSO e SSW sia molto più difficile da caratterizzare rispetto alla relazione fra ENSO e intensità stagionale del vortice.
In termini dinamici, il comportamento rappresentato nella figura può essere interpretato come la manifestazione di una risposta atmosferica fortemente non lineare. La fase ENSO modifica il flusso medio, ma il flusso medio determina a sua volta le condizioni di propagazione delle onde planetarie. Le onde che raggiungono la stratosfera modificano ulteriormente il vento zonale, alterando nuovamente le condizioni attraverso cui le onde successive possono propagarsi. Si crea quindi un’interazione bidirezionale tra onde e circolazione media che rende l’evoluzione del vortice estremamente sensibile allo stato iniziale e alla sequenza temporale del forcing troposferico. Per questo motivo una semplice classificazione dell’inverno come El Niño o La Niña non può determinare da sola il comportamento futuro del vortice.
La Figura 1 permette dunque di comprendere perché Song e Son abbiano ritenuto necessario riesaminare la relazione ENSO–SSW attraverso numerose definizioni differenti degli eventi. L’aumento della frequenza degli SSW durante El Niño appare coerente sia con l’indebolimento medio del vortice sia con la maggiore variabilità stratosferica e risulta relativamente robusto rispetto alla definizione adottata. La Niña presenta invece una combinazione assai più problematica: vortice mediamente più intenso ma forte variabilità nella regione delle latitudini utilizzate da alcune definizioni di SSW. È proprio questa configurazione a rendere i risultati molto sensibili al criterio diagnostico.
Nel complesso, la Figura 1 rappresenta quindi una sintesi estremamente efficace della differenza tra risposta climatica media ed eventi stratosferici estremi. El Niño e La Niña esercitano effetti opposti sull’intensità media del vortice polare, ma non producono necessariamente effetti opposti sulla sua variabilità. La stratosfera può rispondere alla forzante tropicale modificando contemporaneamente il valore medio e l’ampiezza delle fluttuazioni, e queste due proprietà non devono essere confuse. La frequenza degli SSW dipende soprattutto dalla capacità delle perturbazioni ondulatorie di portare temporaneamente il sistema oltre una determinata soglia dinamica, non soltanto dal valore medio stagionale del vento.
Per questo motivo, la Figura 1 introduce in maniera particolarmente efficace il problema scientifico affrontato dall’intero studio: la relazione tra ENSO e vortice polare non può essere descritta mediante una semplice opposizione nella quale El Niño equivale automaticamente a molti SSW e La Niña a pochi SSW. El Niño crea effettivamente un ambiente stratosferico mediamente più favorevole all’indebolimento del vortice, mentre La Niña favorisce un vortice stagionalmente più forte; tuttavia, la variabilità interna, la struttura delle onde planetarie e la loro distribuzione latitudinale possono produrre importanti perturbazioni durante entrambe le fasi. La differenza fondamentale consiste quindi nel modo in cui tali perturbazioni si organizzano nello spazio e nel tempo. È proprio questa complessità a spiegare perché Song e Son giungano alla conclusione che l’aumento della frequenza degli SSW durante El Niño sia un risultato relativamente robusto, mentre la relazione tra La Niña e gli SSW dipenda molto più sensibilmente dalla definizione adottata, dalla latitudine esaminata e dalla struttura dinamica del vortice polare.
2. Dati e metodi
La sezione dedicata ai dati e ai metodi costituisce un passaggio fondamentale dello studio di Song e Son, perché l’obiettivo degli autori non è soltanto stabilire se esista una relazione tra El Niño–Southern Oscillation e la frequenza dei riscaldamenti stratosferici improvvisi, ma soprattutto verificare quanto tale relazione sia robusta rispetto alle scelte metodologiche utilizzate per rappresentare sia lo stato dell’ENSO sia la variabilità del vortice polare. Questo aspetto assume particolare importanza nello studio degli SSW, poiché il numero relativamente limitato di eventi osservabili all’interno dell’era delle rianalisi rende le statistiche molto sensibili alla definizione adottata, al dataset atmosferico utilizzato, alla classificazione delle diverse fasi ENSO e alla soglia scelta per separare gli eventi caldi, freddi e neutrali. La metodologia costruita da Song e Son è pertanto deliberatamente orientata alla verifica della sensibilità dei risultati: invece di affidarsi a un’unica rianalisi, a una sola ricostruzione delle temperature superficiali del mare e a una singola definizione di SSW, gli autori confrontano diverse combinazioni diagnostiche per determinare quali caratteristiche della relazione ENSO–SSW siano effettivamente robuste e quali, invece, dipendano dalle convenzioni metodologiche.
Per analizzare la circolazione atmosferica vengono utilizzate due rianalisi di lungo periodo: la NCEP–NCAR Reanalysis, comunemente indicata come NNR, sviluppata da Kalnay e collaboratori, e la Japanese 55-Year Reanalysis, JRA-55, descritta da Kobayashi e colleghi. La scelta di questi prodotti è legata soprattutto alla loro estensione temporale, poiché entrambi consentono di analizzare il periodo 1958–2014. La disponibilità di una serie di quasi sei decenni è essenziale quando si studiano fenomeni relativamente rari quali i major SSW. Un campione troppo breve potrebbe infatti essere fortemente influenzato da pochi eventi eccezionali o da particolari sequenze climatiche, rendendo difficile distinguere una vera relazione statistica da una fluttuazione dovuta alla variabilità interna dell’atmosfera. La NNR rappresenta una delle prime grandi rianalisi globali utilizzate sistematicamente nella climatologia atmosferica e ha costituito per molti anni un riferimento fondamentale per lo studio della circolazione troposferica e stratosferica. JRA-55, sviluppata successivamente, beneficia di un sistema di assimilazione più moderno e di una rappresentazione atmosferica generalmente più evoluta, motivo per cui il confronto fra i due prodotti permette di valutare se i risultati dipendano da caratteristiche specifiche del sistema di assimilazione o della modellistica sottostante.
Il concetto stesso di rianalisi è particolarmente importante in questo contesto. Una rianalisi combina osservazioni atmosferiche provenienti da radiosondaggi, satelliti, stazioni di superficie e altre piattaforme con un modello numerico dell’atmosfera attraverso un sistema di assimilazione dati. Il risultato è una ricostruzione spazialmente e temporalmente coerente dello stato atmosferico passato. Tuttavia, nessuna rianalisi rappresenta una misura perfetta della realtà. La quantità e la qualità delle osservazioni disponibili sono cambiate notevolmente nel corso dei decenni, soprattutto con l’introduzione dei sistemi satellitari a partire dalla fine degli anni Settanta. Le rianalisi possono inoltre differire nella rappresentazione della stratosfera, nella risoluzione verticale, nella parametrizzazione dei processi fisici e nella risposta ai cambiamenti del sistema osservativo. Per questo motivo l’utilizzo di più dataset costituisce una componente essenziale della verifica della robustezza di una relazione climatica.
Song e Son adottano la NNR come dataset di riferimento soprattutto per mantenere la confrontabilità con gli studi precedenti di Butler e Polvani e di Butler e collaboratori. JRA-55 viene invece utilizzata come test indipendente di sensibilità. Questa scelta metodologica permette di rispondere a una domanda precisa: se una determinata relazione tra ENSO e SSW emerge nella NNR, essa è ancora riconoscibile quando l’analisi viene ripetuta con una rianalisi differente? Se la risposta è positiva, aumenta la probabilità che il segnale rappresenti una caratteristica reale della circolazione atmosferica anziché un artefatto del prodotto utilizzato. Per rendere il confronto il più possibile omogeneo, entrambi i dataset vengono inoltre riportati a una risoluzione comune di 2,5 gradi per 2,5 gradi. La standardizzazione della griglia impedisce che differenze nella risoluzione spaziale possano contaminare direttamente il confronto.
Per caratterizzare l’ENSO vengono utilizzate le ricostruzioni della temperatura superficiale del mare ERSST del NOAA Climate Prediction Center. Il dataset di riferimento è la versione 3b, già ampiamente utilizzata nella letteratura precedente, mentre la versione 5 viene impiegata per verificare la sensibilità dei risultati alla ricostruzione delle SST. Anche questa scelta è metodologicamente significativa, poiché la ricostruzione delle temperature oceaniche storiche richiede procedure di interpolazione e correzione che possono produrre differenze, soprattutto nei periodi più antichi caratterizzati da una rete osservativa oceanica meno densa. Huang e collaboratori, sviluppando ERSSTv5, introdussero numerosi miglioramenti nella ricostruzione delle anomalie oceaniche e nella rappresentazione della variabilità a grande scala. Se la relazione ENSO–SSW rimane sostanzialmente invariata utilizzando sia ERSSTv3b sia ERSSTv5, si può concludere che essa non dipende in maniera critica da una particolare versione del dataset SST.
L’elemento metodologico forse più importante dell’intero studio riguarda tuttavia le definizioni degli SSW. Butler et al., Martineau e Son e Palmeiro et al. hanno mostrato chiaramente che la letteratura scientifica non dispone di una singola definizione universalmente valida per identificare ogni riscaldamento stratosferico improvviso. Il concetto di SSW descrive infatti una profonda perturbazione del vortice polare invernale, ma tale perturbazione può essere caratterizzata utilizzando proprietà diverse della circolazione. Alcuni criteri si concentrano sull’inversione dei venti zonali, altri sulla struttura termica, altri ancora sulle anomalie dell’altezza geopotenziale o sulla morfologia bidimensionale del vortice. La scelta della definizione determina quindi quali episodi vengono inclusi o esclusi dal catalogo degli eventi, con conseguenze dirette sulla frequenza climatologica risultante.
La definizione tradizionale maggiormente utilizzata deriva dalla convenzione della World Meteorological Organization e identifica un major SSW attraverso una profonda riorganizzazione della circolazione della stratosfera polare, includendo l’inversione dei venti occidentali a 10 hPa e un cambiamento della struttura termica meridionale. Charlton e Polvani proposero successivamente una versione semplificata e più facilmente applicabile ai dataset moderni, basata principalmente sull’inversione del vento zonale medio zonale a 60°N e 10 hPa. Questa scelta ha avuto un’enorme influenza sugli studi successivi perché fornisce un criterio oggettivo, riproducibile e relativamente semplice da applicare a rianalisi e simulazioni climatiche. Tuttavia, come evidenziato proprio da Butler et al., 60°N non rappresenta necessariamente in ogni momento il bordo dinamico effettivo del vortice. Un evento può produrre un’inversione molto marcata leggermente più a nord o più a sud senza soddisfare esattamente il criterio alla latitudine prescritta.
Per affrontare questo problema, Song e Son utilizzano sette differenti definizioni di SSW. Questa scelta rappresenta un autentico esperimento metodologico: gli autori non si limitano a contare gli eventi, ma verificano se la relazione ENSO–SSW sopravvive quando viene modificato il modo stesso in cui l’evento stratosferico viene identificato. Le definizioni WMO e U60 condividono l’utilizzo dell’inversione del vento a 60°N e 10 hPa, anche se la prima aggiunge un requisito termico. Il fatto che entrambe producano generalmente date di insorgenza e frequenze simili dimostra che l’inversione del vento costituisce il cuore dinamico comune dei due criteri. La definizione U65 sposta invece la latitudine diagnostica a 65°N, consentendo di verificare quanto il risultato dipenda dalla posizione geografica scelta per descrivere il vortice.
La definizione U60–90 compie un passo ulteriore, utilizzando il vento mediato su una vasta regione della calotta polare anziché il valore a una singola latitudine. Dal punto di vista fisico, questa impostazione può essere considerata maggiormente rappresentativa della circolazione complessiva del vortice, perché riduce la sensibilità a perturbazioni localizzate. Tuttavia, proprio questa maggiore estensione spaziale può consentire di classificare come SSW eventi che non produrrebbero necessariamente un’inversione esattamente a 60°N. Non sorprende quindi che U60–90 identifichi il maggior numero di eventi tra le definizioni considerate nello studio.
La definizione Z60–90 abbandona invece il vento come variabile primaria e utilizza l’anomalia dell’altezza geopotenziale della calotta polare. L’altezza geopotenziale costituisce una misura importante della struttura dinamica della stratosfera: durante un forte riscaldamento polare, l’espansione della colonna atmosferica e la profonda perturbazione del vortice producono marcate anomalie geopotenziali positive. L’utilizzo di questa variabile consente pertanto di diagnosticare la risposta integrata del vortice polare da una prospettiva differente rispetto alla semplice inversione del vento.
Ancora più differente è la definizione EOFU, basata su una tecnica statistica. In questo caso la variabilità della circolazione extratropicale viene scomposta nei principali modi dominanti e l’inizio di un SSW viene identificato attraverso il comportamento della modalità principale del vento zonale a 50 hPa. L’uso di un livello più basso della stratosfera rende questa definizione sensibile alla parte della perturbazione che si estende verso la bassa stratosfera, una caratteristica particolarmente interessante dal punto di vista dell’accoppiamento stratosfera–troposfera. Non tutti gli eventi che risultano intensi a 10 hPa si propagano infatti con la stessa efficacia verso quote inferiori. La definizione EOFU può pertanto selezionare una popolazione di eventi parzialmente diversa rispetto ai criteri concentrati esclusivamente nella media stratosfera.
La definizione 2DM rappresenta infine un approccio concettualmente ancora più distinto, poiché utilizza la geometria bidimensionale del vortice polare nei campi di geopotenziale a 10 hPa. Attraverso parametri quali il rapporto d’aspetto e la posizione del centroide, essa identifica profonde deformazioni o dislocazioni del vortice senza affidarsi esclusivamente alla media zonale. Questo punto è fondamentale perché un SSW è intrinsecamente un fenomeno tridimensionale e fortemente asimmetrico. Una media zonale può occultare importanti caratteristiche geometriche, soprattutto durante eventi nei quali il vortice viene fortemente spostato rispetto al Polo oppure si divide in due strutture distinte. Gli studi sulla morfologia del vortice hanno infatti mostrato come gli eventi di displacement e split possano presentare differenti precursori ondulatori e differenti conseguenze dinamiche.
Il fatto che le sette definizioni producano numeri di eventi sensibilmente diversi costituisce uno dei principali messaggi metodologici dello studio. Nel periodo analizzato, U60–90 rileva 37 SSW, mentre EOFU ne identifica soltanto 26. Una differenza di undici eventi all’interno di un campione di poco più di mezzo secolo è tutt’altro che trascurabile. Essa dimostra che la climatologia degli SSW non è completamente indipendente dal criterio utilizzato. Questo risultato è pienamente coerente con il lavoro di Butler et al. sulle definizioni degli SSW, secondo cui non esiste un singolo criterio ottimale per tutte le applicazioni. Una definizione può essere particolarmente adatta a confrontare la frequenza degli eventi tra modelli climatici, un’altra alla diagnosi dell’accoppiamento verso il basso, un’altra ancora alla caratterizzazione della geometria del vortice.
Analoga attenzione metodologica viene dedicata alla definizione di ENSO. Song e Son utilizzano come indicatore principale l’indice Niño-3.4, calcolato dalle anomalie della temperatura superficiale del mare nella regione equatoriale centrale del Pacifico compresa approssimativamente tra 5°N e 5°S e tra 170°W e 120°W. Questa regione rappresenta uno dei principali domini diagnostici di ENSO perché cattura efficacemente la componente oceanica legata all’accoppiamento fra Pacifico centrale e orientale e circolazione atmosferica tropicale.
Gli autori confrontano due differenti modalità di classificazione. La prima segue la convenzione del Climate Prediction Center e richiede che l’anomalia Niño-3.4 superi persistentemente la soglia prestabilita per almeno cinque periodi stagionali consecutivi. Questo criterio introduce esplicitamente il concetto di persistenza, evitando di classificare come ENSO episodi brevi o marginali. Applicando tale definizione vengono individuati 19 inverni di El Niño e 18 di La Niña nel dataset di riferimento. Utilizzando ERSSTv5, il numero di El Niño sale a 20 mentre quello di La Niña rimane invariato. Anche questa piccola differenza sottolinea come la classificazione degli eventi climatici storici possa dipendere in alcuni casi dal dataset SST utilizzato.
La seconda definizione, denominata SIMPLE, utilizza invece direttamente la media dell’indice Niño-3.4 tra novembre e marzo. Un inverno viene classificato come El Niño o La Niña quando la media stagionale supera la soglia positiva o negativa stabilita. Questo criterio produce 16 inverni di El Niño e 20 di La Niña, mostrando che la semplice modifica della procedura di classificazione cambia il numero di stagioni assegnate alle diverse categorie. Song e Son utilizzano pertanto la definizione CPC come riferimento e la SIMPLE come test di sensibilità.
Gli autori verificano inoltre l’effetto di soglie leggermente più severe. Il risultato generale non cambia sensibilmente, confermando osservazioni già presenti negli studi di Butler e Polvani e di Taguchi. Ciò suggerisce che le principali conclusioni non siano un artefatto della scelta esatta della soglia Niño-3.4, almeno entro un intervallo ragionevole di valori. Questo tipo di verifica è particolarmente importante perché la separazione discreta tra El Niño, La Niña e neutralità viene applicata a un fenomeno che in natura varia in maniera continua.
Un ulteriore livello di complessità viene introdotto distinguendo gli eventi di El Niño del Pacifico orientale e quelli del Pacifico centrale. Numerosi studi, fra cui quelli di Yeh e collaboratori e di Garfinkel et al., hanno mostrato che non tutti gli episodi di El Niño producono la stessa configurazione delle anomalie tropicali e delle teleconnessioni extratropicali. Negli eventi del Pacifico orientale, il massimo riscaldamento oceanico tende a essere collocato maggiormente verso le coste sudamericane, mentre negli eventi del Pacifico centrale il massimo delle anomalie è spostato verso ovest. Questo spostamento longitudinale modifica la posizione della convezione tropicale e quindi le sorgenti delle onde di Rossby, con potenziali conseguenze per la risposta del Pacifico settentrionale e della stratosfera polare.
Song e Son adottano un criterio relativamente semplice, confrontando gli indici Niño-3 e Niño-4. Gli stessi autori sottolineano però che questa classificazione deve essere interpretata qualitativamente. La letteratura ha infatti proposto numerosi indici per distinguere gli eventi del Pacifico centrale da quelli del Pacifico orientale e non esiste una classificazione universalmente accettata. Questo problema è importante anche per gli studi moderni sulle teleconnessioni, perché le differenze nella posizione longitudinale delle anomalie tropicali possono generare risposte molto diverse nella circolazione extratropicale.
Infine, la relazione ENSO–SSW viene sottoposta a un rigoroso test di significatività statistica mediante bootstrap. Gli eventi SSW vengono redistribuiti casualmente tra i 57 inverni del periodo 1958–2014 e questa procedura viene ripetuta mille volte. In tal modo viene generata una distribuzione statistica di riferimento che rappresenta ciò che ci si aspetterebbe se gli SSW non avessero alcun legame sistematico con la fase ENSO. La frequenza realmente osservata durante El Niño o La Niña può quindi essere confrontata con questa distribuzione casuale per stabilire se la differenza rispetto agli inverni neutrali sia sufficientemente grande da risultare statisticamente significativa.
L’utilizzo del bootstrap è particolarmente appropriato perché il numero degli SSW è relativamente limitato e la distribuzione degli eventi non deve necessariamente rispettare le assunzioni richieste dai test parametrici più semplici. La randomizzazione permette di costruire empiricamente la distribuzione attesa sotto l’ipotesi di assenza di relazione ENSO–SSW. L’approccio è inoltre coerente con quello utilizzato da Butler e Polvani, consentendo un confronto diretto con la letteratura precedente. Per i campi atmosferici compositi, invece, gli autori adottano un test t di Student a due code, appropriato per valutare se le differenze medie tra due gruppi di condizioni climatiche possano essere considerate statisticamente distinguibili.
Nel complesso, la metodologia di Song e Son è costruita attorno al concetto di robustezza. Gli autori modificano sistematicamente la rianalisi atmosferica, il dataset SST, la classificazione ENSO, la soglia utilizzata per identificare le fasi tropicali e soprattutto la definizione di SSW. Questo approccio permette di separare le caratteristiche veramente robuste della relazione ENSO–stratosfera da quelle che emergono soltanto adottando una particolare convenzione diagnostica. È proprio questa impostazione a rendere lo studio particolarmente rilevante nel dibattito sulla frequenza degli SSW durante La Niña.
Il quadro metodologico anticipa infatti uno dei risultati più importanti dell’articolo. Se una relazione fosse fisicamente molto robusta, dovrebbe rimanere riconoscibile attraverso definizioni ragionevolmente differenti dello stesso fenomeno. È ciò che Song e Son osservano sostanzialmente per El Niño: la maggiore frequenza degli SSW rispetto agli inverni neutrali emerge attraverso numerosi criteri diagnostici. Per La Niña, invece, il risultato cambia sensibilmente modificando la definizione dell’evento stratosferico. Questa sensibilità indica che le perturbazioni del vortice associate a La Niña possiedono caratteristiche spaziali e dinamiche differenti rispetto a quelle associate a El Niño e che una parte dell’apparente aumento degli SSW osservato negli studi precedenti dipende dal modo in cui viene campionata la circolazione polare.
La sezione dedicata ai dati e ai metodi non rappresenta pertanto un semplice passaggio tecnico, ma costituisce una parte essenziale dell’argomentazione scientifica dello studio. Attraverso l’utilizzo di molteplici rianalisi, dataset oceanici e definizioni diagnostiche, Song e Son mostrano quanto sia necessario trattare con cautela le statistiche relative agli eventi stratosferici estremi. Un major SSW non è una quantità direttamente osservabile nel senso più semplice del termine, ma una categoria diagnostica applicata a una circolazione atmosferica continua e multidimensionale. Cambiare la latitudine, il livello verticale, la variabile utilizzata o la proprietà geometrica del vortice significa osservare aspetti differenti dello stesso fenomeno. È precisamente questa consapevolezza metodologica che consente agli autori di reinterpretare la relazione ENSO–SSW e di dimostrare che l’associazione con El Niño è relativamente robusta, mentre quella con La Niña richiede una lettura molto più prudente e dipendente dalla struttura fisica dell’evento considerato.
Tabella 1 – Le differenti definizioni dei riscaldamenti stratosferici improvvisi e la sensibilità della climatologia degli SSW
La Tabella 1 dello studio di Song e Son rappresenta uno degli elementi metodologicamente più importanti dell’intero lavoro, perché dimostra in maniera immediata che la climatologia dei riscaldamenti stratosferici improvvisi non costituisce una proprietà completamente indipendente dal criterio utilizzato per identificare gli eventi. Nel periodo analizzato dagli autori, la stessa evoluzione atmosferica produce infatti un numero di SSW compreso tra appena 26 e 46 a seconda della definizione adottata: una differenza talmente ampia da avere conseguenze sostanziali quando gli eventi vengono successivamente suddivisi tra inverni di El Niño, La Niña ed ENSO neutrali. Questo risultato deve essere interpretato alla luce della natura fisica degli SSW. Un riscaldamento stratosferico improvviso non è infatti un fenomeno descrivibile attraverso una sola variabile, ma rappresenta una profonda riorganizzazione tridimensionale della circolazione stratosferica, caratterizzata da una rapida decelerazione dei venti occidentali del vortice polare, da un marcato riscaldamento della stratosfera artica, da modificazioni dell’altezza geopotenziale e, negli eventi più intensi, dalla completa inversione della circolazione zonale media. La deformazione del vortice può inoltre assumere configurazioni differenti, principalmente attraverso un forte spostamento rispetto al Polo oppure mediante la divisione della struttura vorticosa in due nuclei principali. Butler e collaboratori hanno sottolineato proprio questa difficoltà, osservando che le molte definizioni utilizzate nel corso dei decenni selezionano proprietà differenti degli stessi episodi e possono pertanto produrre classificazioni non identiche.
La questione risale alle origini stesse della climatologia degli SSW. Le definizioni storicamente associate alla World Meteorological Organization erano state sviluppate in un periodo nel quale il sistema osservativo stratosferico dipendeva largamente da radiosondaggi e rocketsonde e in cui era quindi naturale utilizzare criteri relativamente semplici basati sulla circolazione zonale e sul gradiente termico meridionale. Butler et al. hanno evidenziato come sia persino difficile individuare un’unica formulazione originaria e universalmente applicata della definizione WMO, sebbene le formulazioni tradizionali abbiano generalmente richiesto una marcata inversione del gradiente termico meridionale e, nel caso dei major warmings, un’inversione della circolazione zonale alle alte latitudini e vicino al livello di 10 hPa. La Tabella 1 di Song e Son riprende questa tradizione, ma la confronta con criteri diagnostici più moderni, mostrando quanto la nostra valutazione quantitativa degli SSW cambi quando si passa dall’analisi di una singola latitudine alla calotta polare, dal vento al geopotenziale oppure dalla media zonale alla geometria bidimensionale del vortice.
La prima definizione presentata è la WMO, con la quale vengono identificati 33 eventi. Il criterio richiede che il vento zonale medio zonale a 60°N e 10 hPa scenda sotto zero, rappresentando quindi una vera inversione della circolazione climatologicamente occidentale. A questo requisito dinamico viene aggiunta una condizione termica: un evento che non mostri anche l’inversione del gradiente meridionale di temperatura entro dieci giorni dall’inversione del vento non viene classificato come SSW. La definizione WMO è quindi relativamente selettiva, perché richiede che due manifestazioni fondamentali della perturbazione stratosferica, quella dinamica e quella termica, siano coerentemente presenti. Il passaggio dei venti occidentali a orientali rappresenta infatti un segnale della perdita della struttura tipica del vortice polare invernale, mentre l’inversione del gradiente termico riflette il profondo riscaldamento della regione polare rispetto alle latitudini inferiori.
La successiva definizione U60 identifica 35 eventi e differisce dalla precedente soprattutto perché elimina il vincolo relativo al gradiente termico. Rimane quindi come condizione centrale l’inversione del vento zonale medio a 60°N e 10 hPa. Il criterio è strettamente collegato alla procedura oggettiva proposta da Charlton e Polvani nel loro fondamentale lavoro del 2007, nel quale venne sviluppata una climatologia riproducibile dei major midwinter warmings utilizzando proprio la circolazione zonale media a 60°N e 10 hPa. In quella ricerca gli autori sottolinearono l’importanza di una procedura diagnostica semplice e applicabile uniformemente sia alle rianalisi sia ai modelli climatici; individuarono inoltre una frequenza climatologica dei major SSW dell’ordine di circa sei eventi per decennio nel campione allora disponibile. La differenza relativamente piccola tra i 33 eventi WMO e i 35 U60 della Tabella 1 mostra che il criterio termico supplementare elimina soltanto un numero limitato di episodi, confermando che nei grandi riscaldamenti l’inversione del vento e la profonda riorganizzazione termica tendono frequentemente ad accompagnarsi.
Il passaggio dalla definizione U60 alla U65 produce invece un cambiamento molto più marcato. Spostando semplicemente la latitudine diagnostica da 60°N a 65°N, il numero degli eventi aumenta da 35 a 44. La differenza di nove SSW dimostra che la scelta della latitudine non costituisce un dettaglio puramente tecnico. Il vortice polare non possiede infatti un margine fisso e perfettamente circolare situato permanentemente a 60°N. La sua estensione cambia continuamente durante l’inverno e può essere fortemente deformata dalle onde planetarie. Durante un episodio di grande disturbo stratosferico, i venti possono pertanto invertirsi a 65°N pur rimanendo ancora occidentali a 60°N, oppure l’inversione può propagarsi attraverso le latitudini in momenti differenti. Una definizione rigidamente ancorata a una singola latitudine può quindi non riconoscere alcuni episodi che, dal punto di vista della struttura complessiva della stratosfera polare, rappresentano perturbazioni molto profonde.
Questa sensibilità latitudinale è direttamente pertinente al problema affrontato da Song e Son. La Figura 1 dello stesso studio mostra infatti che le anomalie della variabilità del vento associate a El Niño e La Niña presentano massimi a latitudini differenti. Di conseguenza, utilizzare 60°N, 65°N oppure una media sulla calotta polare non equivale semplicemente a osservare lo stesso fenomeno da una posizione leggermente diversa: può significare campionare componenti differenti della risposta dinamica ENSO–stratosfera. È proprio per questa ragione che una relazione apparentemente robusta quando viene utilizzato U60 può indebolirsi o persino cambiare segno quando viene impiegata un’altra definizione.
Ancora più significativo è il criterio U60–90, che nella Tabella 1 identifica 46 eventi, il numero maggiore fra tutte le sette definizioni. In questo caso non viene utilizzato il vento a una singola latitudine, bensì il vento zonale mediato sull’intera calotta polare compresa tra 60°N e 90°N. La differenza rispetto agli appena 35 eventi U60 è notevole. Il risultato indica che una misura spazialmente integrata della circolazione polare è capace di rilevare un maggior numero di episodi di forte indebolimento rispetto a una soglia applicata esclusivamente a 60°N. Dal punto di vista fisico ciò è comprensibile: un vortice fortemente dislocato o deformato può produrre una profonda anomalia della circolazione media sulla calotta senza necessariamente generare immediatamente una specifica inversione proprio alla latitudine di 60°N. Il criterio areale è quindi sensibile alla risposta complessiva del vortice e riduce la dipendenza da una singola posizione geografica.
Il confronto tra WMO, U60, U65 e U60–90 rivela quindi una progressione particolarmente istruttiva: si passa da 33 eventi con il criterio WMO a 35 con U60, quindi a 44 con U65 e infine a 46 con U60–90. Il cambiamento della regione diagnostica produce pertanto effetti molto maggiori rispetto alla semplice eliminazione del vincolo termico presente nella definizione WMO. Questo risultato costituisce una dimostrazione diretta del fatto che la struttura latitudinale dell’inversione del vento rappresenta una componente fondamentale della climatologia degli SSW. Esso anticipa anche uno dei risultati fisici principali di Song e Son: gli eventi verificatisi durante El Niño e quelli associati a La Niña non possiedono necessariamente la stessa estensione latitudinale dell’inversione del vento, per cui la scelta del criterio può modificare in modo preferenziale la frequenza attribuita a una delle due fasi ENSO.
Un approccio differente viene adottato dalla definizione Z60–90, che identifica 37 eventi. In questo caso non viene diagnosticata direttamente l’inversione del vento, ma viene utilizzata l’anomalia dell’altezza geopotenziale a 10 hPa mediata sulla regione compresa tra 60°N e 90°N. L’evento viene individuato quando l’anomalia supera una soglia estremamente elevata rispetto alla variabilità climatologica del periodo invernale considerato. Dal punto di vista dinamico, l’altezza geopotenziale rappresenta una variabile molto utile per descrivere la forza e la struttura del vortice. Un vortice freddo e intenso è generalmente associato a basse altezze geopotenziali sulla regione polare, mentre un forte riscaldamento e l’indebolimento della circolazione producono un aumento marcato del geopotenziale. Il criterio Z60–90 identifica quindi episodi nei quali la perturbazione della colonna stratosferica polare raggiunge dimensioni eccezionali, senza richiedere necessariamente che il vento attraversi una determinata soglia a una latitudine specifica.
La differenza tra i 37 eventi identificati da Z60–90 e i 46 individuati da U60–90 è scientificamente significativa. Entrambe le diagnostiche descrivono la calotta polare e sono quindi spazialmente più integrate rispetto a U60, ma non selezionano lo stesso insieme di episodi perché il vento e il geopotenziale rappresentano aspetti differenti della dinamica. Una grande anomalia di geopotenziale può svilupparsi con modalità temporali e spaziali differenti rispetto all’inversione del vento medio. Ciò dimostra ulteriormente che il concetto di “intensità” di un SSW non possiede una rappresentazione unica: un evento può essere eccezionale dal punto di vista geopotenziale senza risultare altrettanto estremo in una determinata misura del vento, e viceversa.
La definizione EOFU restringe invece il campione a soli 26 eventi, il numero minimo riportato nella Tabella 1. Questa diagnostica abbandona sia la singola soglia del vento sia il semplice valore di geopotenziale e utilizza la principale modalità statistica di variabilità del vento zonale medio extratropicale a 50 hPa. Un SSW viene individuato quando la componente principale associata a questa modalità raggiunge un’estrema anomalia negativa. La scelta del livello di 50 hPa è particolarmente rilevante perché si trova più in basso rispetto ai 10 hPa utilizzati nelle definizioni tradizionali. Un evento identificato dalla EOFU deve quindi possedere una firma importante nella parte inferiore della stratosfera, e ciò contribuisce probabilmente alla maggiore selettività del criterio.
Questa caratteristica può essere importante per l’accoppiamento stratosfera–troposfera. Butler et al., nel confrontare numerosi criteri diagnostici, sottolineano infatti che metodi differenti possono essere più o meno adatti a specifiche applicazioni scientifiche: le diagnostiche basate sulle principali modalità di variabilità stratosferica possono mettere maggiormente in evidenza strutture associate all’accoppiamento con la troposfera, mentre quelle basate sulla geometria del vortice sono più direttamente collegate alla sua dinamica bidimensionale. Questo significa che il fatto che EOFU riconosca soltanto 26 eventi non implica che sia una definizione peggiore. Piuttosto, essa seleziona un particolare sottogruppo di perturbazioni che presentano caratteristiche coerenti con la struttura statistica dominante della circolazione a 50 hPa.
La settima definizione, 2DM, individua 28 eventi e costituisce probabilmente il criterio concettualmente più diverso rispetto agli altri. Invece di ridurre il vortice a una media zonale, considera esplicitamente la sua geometria bidimensionale utilizzando proprietà quali il rapporto d’aspetto e la posizione del centroide. Questo approccio nasce dalla consapevolezza che i major SSW non consistono semplicemente in un indebolimento uniforme dei venti attorno al Polo. Il vortice può allungarsi, essere spostato su un lato dell’Artico oppure dividersi in due strutture distinte, e queste trasformazioni geometriche sono direttamente connesse all’interazione con le onde planetarie. Butler et al. hanno incluso le diagnostiche basate sui momenti del vortice tra gli approcci fisicamente più strettamente collegati alla dinamica della vorticità potenziale.
La distinzione morfologica possiede una lunga tradizione nello studio degli SSW. Charlton e Polvani, nel costruire la loro climatologia oggettiva, separarono gli eventi nei quali il vortice viene principalmente spostato dal Polo da quelli nei quali viene diviso, rilevando che una quota sostanziale degli eventi della loro climatologia apparteneva alla seconda categoria. La geometria non rappresenta quindi un semplice elemento descrittivo, ma costituisce una manifestazione della struttura delle onde responsabili della perturbazione. In termini molto generali, un forte contributo del numero d’onda zonale 1 è spesso associato a grandi dislocazioni del vortice, mentre una marcata attività del numero d’onda 2 può favorire configurazioni più compatibili con uno split, anche se questa relazione non è rigidamente deterministica.
Considerando simultaneamente tutte le definizioni, la Tabella 1 presenta quindi una sequenza estremamente eloquente: WMO identifica 33 eventi, U60 ne identifica 35, U65 44, U60–90 46, Z60–90 37, EOFU 26 e 2DM 28. Fra il valore minimo di EOFU e quello massimo di U60–90 vi sono venti eventi di differenza. In termini relativi, U60–90 identifica quasi l’80% di eventi in più rispetto a EOFU. Una divergenza di queste dimensioni non può essere considerata un dettaglio metodologico trascurabile, soprattutto quando gli eventi vengono suddivisi in sottocampioni climatici relativamente piccoli. Se, per esempio, il record complessivo viene separato tra El Niño, La Niña e anni neutrali, pochi eventi aggiunti o rimossi da una categoria possono modificare considerevolmente la frequenza relativa e la sua significatività statistica.
È precisamente questo il problema che Butler e collaboratori hanno posto al centro del dibattito sulle definizioni degli SSW. La loro analisi ha mostrato che i dettagli della definizione e della sua implementazione possono produrre classificazioni discordanti e che una metrica standardizzata è particolarmente utile quando lo scopo è confrontare statisticamente rianalisi, modelli climatici o periodi differenti. Allo stesso tempo, gli autori hanno sottolineato che nessuna singola definizione è necessariamente ottimale per tutti gli obiettivi scientifici, perché ciascuna diagnostica mette in evidenza una proprietà diversa della variabilità stratosferica. Questa conclusione è essenziale anche per interpretare la Tabella 1 di Song e Son: la dispersione nel numero degli eventi non deve essere letta come un errore delle definizioni, ma come espressione della complessità multidimensionale del fenomeno.
L’utilizzo di criteri diversi permette infatti di interrogare differenti aspetti della dinamica stratosferica. U60 è particolarmente adatto a costruire una climatologia facilmente riproducibile dell’inversione del vento; U65 consente di valutare la sensibilità alla latitudine diagnostica; U60–90 descrive più direttamente la circolazione media dell’intera calotta; Z60–90 caratterizza gli estremi dell’anomalia geopotenziale polare; EOFU seleziona gli eventi attraverso la modalità dominante della variabilità del vento nella stratosfera inferiore; 2DM considera la forma e la posizione del vortice. Ogni approccio cattura quindi una diversa proiezione dello stesso sistema dinamico.
Questo punto diventa cruciale quando la Tabella 1 viene collegata alla domanda fondamentale dello studio, ossia la relazione tra ENSO e SSW. Se gli inverni di El Niño producessero semplicemente lo stesso tipo di perturbazione osservata durante La Niña, ma con intensità diversa, ci si potrebbe aspettare che tutte le definizioni restituissero una relazione ENSO–SSW sostanzialmente analoga. Song e Son mostrano invece che ciò accade soprattutto per El Niño, mentre il risultato relativo a La Niña varia sensibilmente a seconda della diagnostica. La ragione fisica è che la struttura delle perturbazioni stratosferiche associate alle due fasi ENSO differisce per intensità del vento di fondo, estensione latitudinale delle inversioni e contributo delle onde planetarie.
Il confronto fra U60 e U65 è particolarmente istruttivo sotto questo profilo. La differenza di nove eventi tra i due criteri implica che esistono numerosi episodi nei quali il vento si inverte a 65°N senza soddisfare la stessa condizione a 60°N. Se una fase ENSO tende a favorire perturbazioni maggiormente concentrate alle alte latitudini, mentre un’altra produce inversioni più estese verso sud, l’utilizzo di U60 oppure U65 può modificare selettivamente la frequenza attribuita alle due categorie climatiche. Analogamente, una media U60–90 può includere una perturbazione distribuita sull’intera regione polare anche quando il valore locale a 60°N non supera la soglia convenzionale.
La stessa considerazione vale per la definizione geometrica 2DM. ENSO può modificare non soltanto la forza del vortice, ma anche la struttura delle onde planetarie responsabili della sua deformazione. Se El Niño favorisce maggiormente certi pattern di numero d’onda 1 e La Niña modifica in misura diversa le componenti di numero d’onda 2, è plausibile che il rapporto tra eventi di displacement, deformazione e split cambi tra le due fasi. Una diagnostica geometrica può pertanto reagire diversamente rispetto a una definizione basata sul vento medio zonale. In questo senso, le differenze numeriche della Tabella 1 contengono già un’informazione fisica: le definizioni non sono semplicemente diversi modi arbitrari di denominare lo stesso evento, ma rappresentano osservatori diagnostici sensibili a caratteristiche differenti della circolazione.
La grande variabilità del numero degli eventi evidenzia anche un problema statistico più generale. Gli SSW sono relativamente rari rispetto alla durata del record osservativo affidabile. Charlton e Polvani stimarono una climatologia dell’ordine di diversi eventi per decennio, e anche ampliando il periodo fino ai 57 inverni utilizzati da Song e Son il campione rimane di poche decine di episodi. Quando un campione di queste dimensioni viene ulteriormente suddiviso secondo la fase ENSO, la potenza statistica diminuisce rapidamente. Una differenza di tre o quattro eventi può quindi avere un peso considerevole sulla frequenza stimata. La scelta della definizione diventa di conseguenza particolarmente importante quando si cerca di stabilire se gli SSW siano significativamente più frequenti durante El Niño o La Niña rispetto alle condizioni neutrali.
La Tabella 1 fornisce inoltre una lezione metodologica rilevante per il confronto tra osservazioni e modelli climatici. Un modello potrebbe riprodurre bene l’inversione dei venti a 60°N ma presentare errori nella struttura latitudinale del vortice, oppure simulare correttamente le grandi anomalie geopotenziali senza riprodurre la frequenza degli eventi geometricamente classificati come split. Utilizzare un’unica definizione potrebbe quindi portare a concludere prematuramente che il modello rappresenti correttamente o erroneamente la variabilità stratosferica. Proprio per questo Butler et al. hanno sostenuto l’utilità di una metrica standard soprattutto per i confronti statistici, senza però negare il valore di diagnostiche complementari per analizzare la fisica degli eventi.
Un altro aspetto importante riguarda il rapporto tra identificazione dell’evento e impatto troposferico. Non tutti gli SSW producono la stessa risposta verso il basso e la profondità verticale della perturbazione costituisce probabilmente una variabile più importante dell’etichetta formale applicata all’evento. Una definizione basata a 50 hPa, come EOFU, può privilegiare episodi con un segnale relativamente pronunciato nella stratosfera inferiore, mentre una diagnostica a 10 hPa può individuare eventi molto intensi nella media stratosfera che successivamente non riescono necessariamente a propagare le proprie anomalie con la stessa efficacia verso livelli inferiori. Anche per questo motivo non è opportuno interpretare il numero maggiore di eventi prodotto da una definizione come indicazione automatica della sua superiorità.
La Tabella 1 deve quindi essere letta non come un tentativo di scegliere quale definizione sia “corretta”, ma come un esperimento sulla sensibilità della nostra descrizione del sistema atmosferico. Il fatto che WMO riconosca 33 eventi mentre U60–90 ne riconosca 46 dimostra che la nozione di SSW dipende da quale caratteristica del vortice viene considerata essenziale. Il fatto che EOFU scenda a 26 e 2DM a 28 mostra invece quanto possa restringersi la popolazione quando si richiedono manifestazioni particolari della perturbazione, rispettivamente nella modalità statistica dominante della circolazione a 50 hPa o nella morfologia del vortice.
Nel contesto specifico di Revisiting the ENSO–SSW Relationship, questa molteplicità diagnostica rappresenta la chiave necessaria per rivalutare gli studi precedenti. Se ci si fosse limitati alla sola definizione U60, sarebbe stato possibile confermare apparentemente l’idea che sia El Niño sia La Niña favoriscano gli SSW rispetto agli anni neutrali. Applicando contemporaneamente criteri basati su latitudini, regioni, variabili e geometrie differenti, Song e Son possono invece verificare se quella relazione descriva una caratteristica generale della stratosfera oppure una proprietà specifica del criterio U60. Il risultato centrale dello studio emerge precisamente da questa strategia: l’aumento degli SSW durante El Niño sopravvive in maniera molto più coerente al cambiamento della definizione, mentre quello attribuito a La Niña non mostra la stessa robustezza.
La Tabella 1 costituisce pertanto molto più di un semplice riepilogo tecnico. Essa mostra concretamente che la variabilità stratosferica estrema non può essere ridotta a un singolo indice e che l’identificazione di un SSW dipende inevitabilmente dalla proprietà fisica che si decide di osservare. La differenza tra i 26 eventi EOFU e i 46 U60–90 rappresenta quantitativamente questa complessità. Le definizioni fondate sulla circolazione media zonale, sul geopotenziale, sulle funzioni ortogonali empiriche o sulla geometria del vortice costituiscono prospettive complementari sulla stessa riorganizzazione dinamica. Interpretate insieme, esse permettono di distinguere le caratteristiche veramente robuste degli SSW da quelle dipendenti dalla scelta metodologica. È proprio questa impostazione multipla a consentire a Song e Son di mostrare che il legame fra El Niño e maggiore frequenza degli SSW possiede una solidità sostanzialmente superiore a quello relativo a La Niña e che, più in generale, qualsiasi affermazione climatologica sulla frequenza dei riscaldamenti stratosferici improvvisi dovrebbe sempre essere accompagnata dall’indicazione esplicita del criterio con cui tali eventi sono stati identificati.
Tabella 2 – Definizione delle fasi ENSO e sensibilità della relazione tra El Niño, La Niña e riscaldamenti stratosferici improvvisi
La Tabella 2 dello studio di Song e Son appare, a prima vista, molto più semplice rispetto alla complessità delle differenti definizioni di riscaldamento stratosferico improvviso presentate nella Tabella 1, ma riveste un’importanza metodologica altrettanto rilevante. La relazione statistica tra ENSO e SSW dipende infatti non soltanto da come viene definito un riscaldamento stratosferico improvviso, ma anche da come vengono classificati gli inverni di El Niño, La Niña ed ENSO neutrale. ENSO è un fenomeno continuo e accoppiato oceano–atmosfera, mentre qualsiasi suddivisione in categorie discrete richiede inevitabilmente una scelta di soglie, periodi temporali e criteri di persistenza. Song e Son affrontano esplicitamente questa fonte di incertezza confrontando due differenti modalità di classificazione, denominate CPC e SIMPLE, entrambe fondate sull’indice Niño-3.4 ma differenti per il modo in cui viene rappresentata la durata dell’anomalia oceanica.
L’indice Niño-3.4 rappresenta l’anomalia della temperatura superficiale del mare mediata nella fascia equatoriale del Pacifico compresa tra 5°N e 5°S e tra 170°W e 120°W. Questa regione riveste un ruolo centrale nella diagnostica dell’ENSO perché occupa una zona di transizione tra il Pacifico centrale e quello orientale nella quale le anomalie termiche oceaniche risultano fortemente connesse alla risposta atmosferica tropicale. Le variazioni della temperatura superficiale in questa regione sono associate alle modificazioni dei venti alisei, della convezione equatoriale, della circolazione di Walker e della distribuzione del riscaldamento latente tropicale, processi attraverso i quali ENSO esercita le proprie teleconnessioni su scala globale. Il Climate Prediction Center ha storicamente utilizzato proprio la media mobile trimestrale delle anomalie SST nella regione Niño-3.4 come una delle principali metriche operative per identificare gli episodi caldi e freddi di ENSO.
La prima definizione riportata nella Tabella 2, denominata CPC, segue la convenzione NCEP–Climate Prediction Center utilizzata nello studio. Un episodio viene classificato come El Niño quando la media mobile stagionale dell’indice Niño-3.4 supera la soglia positiva di 0,5 K per almeno cinque stagioni trimestrali consecutive e sovrapposte; La Niña viene identificata attraverso il corrispondente superamento della soglia negativa. Tutti gli inverni che non soddisfano questi requisiti vengono classificati come ENSO neutrali. Il requisito delle cinque stagioni consecutive è essenziale perché introduce nella definizione un criterio di persistenza: non è sufficiente che il Pacifico tropicale presenti un’anomalia termica superiore alla soglia per un singolo trimestre, ma è necessario che tale anomalia rimanga sufficientemente duratura da rappresentare un episodio ENSO organizzato. La convenzione storica del CPC utilizza infatti proprio la soglia di mezzo grado nella regione Niño-3.4 e richiede almeno cinque stagioni sovrapposte consecutive affinché un’anomalia calda o fredda venga considerata un episodio persistente.
Questa attenzione alla persistenza ha un significato fisico preciso. ENSO non consiste semplicemente in un’anomalia locale della temperatura oceanica, ma rappresenta una modalità accoppiata dell’intero sistema tropicale Pacifico–atmosfera. Una breve escursione dell’indice Niño-3.4 oltre la soglia può verificarsi senza che si sviluppi pienamente la retroazione tra oceano e atmosfera necessaria a produrre teleconnessioni extratropicali robuste. Gli episodi persistenti, invece, hanno maggiori probabilità di essere accompagnati da modificazioni coerenti degli alisei, della convezione e della circolazione di Walker. È per questo che le classificazioni ENSO utilizzate nella climatologia cercano generalmente di evitare che fluttuazioni termiche troppo brevi vengano interpretate allo stesso modo di eventi maturi e duraturi.
Il problema della definizione di El Niño è noto da molto tempo. Trenberth sottolineò già nel 1997 che non esiste una definizione completamente universale e che la precisione scientifica richiede di specificare esplicitamente quale criterio sia stato utilizzato. Nel suo lavoro propose una classificazione quantitativa basata sulla persistenza delle anomalie SST nella regione Niño-3.4, evidenziando proprio l’importanza di descrivere in maniera riproducibile inizio, durata e intensità degli episodi. La Tabella 2 di Song e Son si inserisce quindi in una tradizione metodologica ben consolidata: l’identificazione di ENSO richiede una convenzione operativa, e differenti convenzioni possono produrre campioni leggermente diversi.
Applicando la definizione CPC ai dati ERSSTv3b, Song e Son individuano nel periodo dello studio 19 inverni di El Niño e 18 inverni di La Niña. Utilizzando invece la versione più recente del dataset oceanico considerata dagli autori, ERSSTv5, vengono identificati 20 inverni di El Niño e ancora 18 di La Niña. La differenza di un solo inverno caldo può sembrare trascurabile, ma in un’analisi statistica degli SSW può avere conseguenze non irrilevanti. Gli SSW sono infatti eventi relativamente rari e la suddivisione del record disponibile fra El Niño, La Niña e neutralità riduce ulteriormente le dimensioni dei campioni. Se uno degli inverni riclassificati contiene o non contiene un SSW, la frequenza relativa della categoria può modificarsi sensibilmente.
La seconda definizione della Tabella 2, denominata SIMPLE, è concettualmente differente perché rinuncia al requisito delle cinque stagioni mobili consecutive. Gli autori calcolano la media dell’indice Niño-3.4 sul periodo compreso fra novembre e marzo e classificano l’inverno come El Niño quando tale valore medio supera la soglia positiva di 0,5 K e come La Niña quando scende sotto quella negativa. In questo caso l’interesse non è rivolto alla durata completa dell’episodio ENSO nel corso dell’anno, ma specificamente allo stato medio del Pacifico tropicale durante la stagione rilevante per l’evoluzione del vortice polare boreale.
Questa scelta ha una giustificazione dinamica molto precisa. Il vortice polare stratosferico raggiunge il proprio massimo sviluppo durante l’inverno boreale e la maggior parte dei major SSW si verifica proprio nel cuore o nella seconda parte della stagione invernale. Utilizzare una media da novembre a marzo permette pertanto di caratterizzare direttamente l’anomalia ENSO che accompagna il periodo nel quale si sviluppa la circolazione stratosferica di interesse. Da questo punto di vista, la definizione SIMPLE è particolarmente adatta a un’analisi specificamente rivolta alla relazione ENSO–stratosfera, perché concentra la classificazione sul periodo climaticamente più pertinente anziché sull’intera evoluzione temporale dell’episodio tropicale.
Tuttavia, proprio perché il criterio SIMPLE non impone una persistenza precedente e successiva equivalente a quella CPC, può classificare alcuni inverni in maniera differente. Song e Son mostrano infatti che con questo approccio vengono individuati 16 inverni di El Niño e 20 di La Niña, rispetto ai 19 El Niño e 18 La Niña ottenuti con la definizione CPC di riferimento. Questa differenza dimostra che la suddivisione del record climatico non è puramente formale. Alcuni episodi possono presentare una forte anomalia media durante novembre–marzo ma non soddisfare esattamente il requisito di persistenza della classificazione CPC, mentre altri possono essere sufficientemente lunghi da soddisfare il criterio CPC pur mostrando caratteristiche leggermente differenti nel valore medio dell’inverno.
La differenza fra CPC e SIMPLE può essere interpretata anche come una distinzione fra due diversi aspetti di ENSO. La classificazione CPC attribuisce maggiore importanza alla continuità temporale dell’evento, mentre la SIMPLE enfatizza l’intensità media durante l’inverno. Nel primo caso si cerca quindi di identificare un episodio ENSO pienamente sviluppato e persistente; nel secondo si descrive soprattutto lo stato termico medio del Pacifico tropicale durante la stagione di interesse. Entrambe le prospettive sono scientificamente legittime, ma non necessariamente selezionano gli stessi anni.
È precisamente per questo motivo che Song e Son non scelgono una delle due definizioni limitandosi ad assumere che sia universalmente corretta. La CPC applicata a ERSSTv3b viene utilizzata come riferimento, mentre la SIMPLE serve come test di sensibilità. Se un risultato relativo alla frequenza degli SSW scomparisse completamente modificando la definizione ENSO, la relazione sarebbe metodologicamente fragile. Se invece rimanesse qualitativamente simile, si potrebbe sostenere con maggiore fiducia che il segnale non deriva semplicemente dal modo in cui gli inverni sono stati suddivisi. Questo tipo di verifica rappresenta un principio fondamentale della climatologia statistica: una relazione fisicamente robusta dovrebbe sopravvivere, almeno qualitativamente, a variazioni ragionevoli delle convenzioni diagnostiche.
Gli autori verificano inoltre soglie differenti da quella nominale di 0,5 K, considerando valori di 0,6 e 0,7 K. Il risultato generale dello studio rimane sostanzialmente invariato. Questo elemento è importante perché dimostra che le principali conclusioni non dipendono in maniera critica da una singola soglia arbitraria. Aumentare la soglia significa selezionare eventi ENSO mediamente più intensi ed escludere episodi marginali. Se il segnale ENSO–SSW fosse prodotto quasi esclusivamente da pochi inverni situati appena sopra la soglia convenzionale, una classificazione più severa potrebbe modificarlo drasticamente. Il fatto che ciò non avvenga suggerisce invece una maggiore robustezza della relazione complessiva.
La Tabella 2 permette inoltre di introdurre una considerazione fondamentale sulla natura dell’indice Niño-3.4. Ridurre ENSO a un singolo valore medio di SST è estremamente utile per la classificazione statistica, ma non descrive tutta la complessità del fenomeno. Capotondi e collaboratori hanno mostrato come gli eventi ENSO differiscano significativamente per ampiezza, distribuzione longitudinale delle anomalie, meccanismo di sviluppo, durata ed evoluzione temporale. Queste differenze possono produrre teleconnessioni atmosferiche sostanzialmente diverse anche tra eventi che possiedono valori simili dell’indice Niño-3.4.
La successiva sintesi di Timmermann e numerosi collaboratori ha ulteriormente consolidato questa interpretazione, descrivendo ENSO come una modalità climatica caratterizzata da una notevole complessità spazio-temporale, piuttosto che da una semplice oscillazione perfettamente regolare tra una fase calda e una fredda. Gli eventi differiscono nella posizione del massimo riscaldamento, nell’intensità, nella durata e nelle interazioni con il background climatico tropicale, e tali differenze influenzano direttamente la risposta dell’atmosfera globale. Per la stratosfera ciò è particolarmente importante perché le teleconnessioni verso il Pacifico settentrionale e la successiva propagazione delle onde planetarie possono essere molto sensibili alla posizione della convezione tropicale.
Song e Son tengono conto almeno parzialmente di questa diversità distinguendo anche gli eventi di El Niño del Pacifico orientale da quelli del Pacifico centrale, sebbene tale classificazione non compaia direttamente nella Tabella 2. Gli autori confrontano gli indici Niño-3 e Niño-4 nel periodo novembre–marzo e classificano l’evento in funzione della regione nella quale l’anomalia risulta più pronunciata. Essi avvertono tuttavia che si tratta di un metodo relativamente semplice e che la letteratura propone numerose definizioni differenti per distinguere le diverse tipologie di ENSO. Questa cautela è coerente con gli studi sulla diversità di ENSO, che mostrano come la distinzione tra Pacifico centrale e orientale rappresenti una semplificazione utile ma non esaurisca l’intero spettro di configurazioni possibili.
La distinzione è particolarmente rilevante quando si studia il vortice polare. Il percorso attraverso cui ENSO raggiunge la stratosfera passa principalmente attraverso le modificazioni della convezione tropicale e delle onde di Rossby extratropicali. Se il massimo riscaldamento oceanico e la convezione associata sono spostati di diverse migliaia di chilometri lungo l’Equatore, anche la sorgente delle onde atmosferiche cambia posizione. Di conseguenza possono modificarsi la depressione aleutinica, la configurazione delle onde stazionarie e l’efficienza con cui l’attività ondulatoria viene canalizzata verso la stratosfera. Due episodi classificati entrambi come El Niño sulla base dell’indice Niño-3.4 possono quindi produrre risposte stratosferiche differenti.
Da questo punto di vista, la Tabella 2 deve essere letta come una necessaria semplificazione statistica. CPC e SIMPLE trasformano un fenomeno continuo, multidimensionale e fortemente variabile in tre categorie discrete che possono essere utilizzate per costruire compositi e confrontare frequenze. Questa trasformazione è indispensabile per condurre l’analisi, ma deve essere interpretata con consapevolezza. Un inverno con un indice appena superiore alla soglia e uno caratterizzato da un El Niño eccezionalmente intenso appartengono alla stessa categoria formale, pur esercitando potenzialmente forzanti atmosferiche molto diverse. Analogamente, due La Niña con identica media Niño-3.4 possono differire nella localizzazione longitudinale del raffreddamento, nella durata e nella risposta convettiva.
La classificazione discreta può inoltre nascondere l’intrinseca asimmetria tra El Niño e La Niña. Le due fasi non costituiscono necessariamente immagini perfettamente speculari del sistema climatico. La risposta convettiva alle anomalie calde e fredde della SST è non lineare, soprattutto perché la convezione profonda dipende fortemente dalla temperatura assoluta della superficie oceanica e dalla posizione climatologica delle acque più calde. Di conseguenza un’anomalia positiva e una negativa della stessa ampiezza nell’indice Niño-3.4 possono non produrre perturbazioni atmosferiche di intensità equivalente. Questa non linearità è una delle ragioni per cui la relazione tra ENSO e vortice polare non può essere interpretata semplicemente assumendo che La Niña debba produrre l’esatto opposto di El Niño.
La metodologia della Tabella 2 assume quindi una funzione particolarmente importante nel contesto di Revisiting the ENSO–SSW Relationship. Il risultato che gli autori intendono verificare riguarda infatti un’apparente asimmetria: mentre l’aumento della frequenza degli SSW durante El Niño appare robusto, quello durante La Niña risulta molto più dipendente dal criterio diagnostico utilizzato per gli SSW. Per essere certi che questa differenza non derivi semplicemente da una particolare classificazione di ENSO, è necessario modificare anche la definizione della fase tropicale. L’utilizzo simultaneo di CPC e SIMPLE consente precisamente questo controllo.
I risultati mostrano che le conclusioni principali non cambiano qualitativamente quando viene modificata la classificazione ENSO, così come non cambiano sostanzialmente quando vengono utilizzate soglie leggermente differenti. Questo è un passaggio metodologico cruciale: suggerisce che la sensibilità della relazione La Niña–SSW non nasce principalmente dal modo in cui gli inverni ENSO sono selezionati, bensì dalle caratteristiche fisiche e diagnostiche degli stessi riscaldamenti stratosferici. In altre parole, il problema principale sembra trovarsi dalla parte della risposta del vortice, nella struttura latitudinale dell’inversione dei venti e nella configurazione delle onde planetarie, più che nella classificazione delle anomalie tropicali.
La Tabella 2 evidenzia anche una differenza concettuale importante tra lo studio climatologico di ENSO e l’uso operativo degli indici. Un indice come Niño-3.4 fornisce un riferimento quantitativo standardizzato estremamente utile, ma non deve essere interpretato come una descrizione completa dello stato dell’oceano e dell’atmosfera tropicale. Anche il NOAA sottolinea che un indice oceanico costituisce una misura di ENSO e che altre variabili possono essere utilizzate per verificare la presenza delle caratteristiche coerenti con un fenomeno accoppiato oceano–atmosfera. Questa distinzione è particolarmente importante nella ricerca sulle teleconnessioni: ciò che interessa fisicamente alla stratosfera non è l’indice in sé, ma la risposta atmosferica tropicale ed extratropicale associata alle anomalie oceaniche che l’indice sintetizza.
Il confronto fra CPC e SIMPLE permette quindi di distinguere il concetto di “episodio ENSO persistente” da quello di “condizione ENSO media durante l’inverno”. Il primo è particolarmente utile quando si vuole descrivere l’intero ciclo di vita dell’evento; il secondo può risultare molto efficace quando l’interesse scientifico riguarda una specifica stagione. Nel caso della stratosfera boreale entrambe le prospettive sono pertinenti. La persistenza dell’anomalia tropicale può determinare la continuità del forcing atmosferico durante diversi mesi, mentre la sua intensità specificamente tra novembre e marzo coincide con la fase in cui il vortice è sviluppato e maggiormente suscettibile al forcing delle onde planetarie.
Questa scelta metodologica aiuta inoltre a ridurre un potenziale errore interpretativo frequente negli studi sulle teleconnessioni: trattare la classificazione ENSO come se fosse una proprietà assoluta dell’atmosfera anziché una convenzione analitica. Gli episodi climatici non “sanno” di appartenere alla categoria CPC o SIMPLE; tali categorie vengono costruite dai ricercatori per rendere possibile l’analisi statistica. La validità di una conclusione dipende quindi dalla sua capacità di rimanere riconoscibile quando la classificazione viene ragionevolmente modificata. Song e Son applicano proprio questo principio.
Nel complesso, la Tabella 2 costituisce dunque una componente essenziale della strategia di robustezza dello studio. La definizione CPC privilegia la persistenza temporale e identifica 19 inverni di El Niño e 18 di La Niña nel dataset di riferimento; la SIMPLE considera direttamente lo stato medio Niño-3.4 fra novembre e marzo e porta a 16 El Niño e 20 La Niña. Il fatto che campioni parzialmente differenti conducano comunque a conclusioni qualitative simili indica che la struttura fondamentale della relazione ENSO–SSW non è semplicemente il prodotto di una singola convenzione di classificazione.
Il significato scientifico più profondo della tabella consiste quindi nel ricordare che la robustezza di una teleconnessione deve essere verificata rispetto a tutte le principali scelte diagnostiche. Come Trenberth aveva sottolineato già negli anni Novanta, il termine El Niño acquista precisione quantitativa soltanto quando viene specificata la definizione utilizzata. Song e Son applicano concretamente questo principio al problema stratosferico: definiscono ENSO attraverso criteri alternativi, modificano il dataset SST e verificano diverse soglie prima di attribuire un significato fisico alla frequenza degli SSW. La Tabella 2 non rappresenta pertanto una semplice formalità metodologica, ma uno dei controlli che rendono più solida la conclusione centrale dello studio: l’associazione tra El Niño e maggiore frequenza dei riscaldamenti stratosferici improvvisi è relativamente robusta, mentre la risposta durante La Niña è assai più complessa e non può essere ricondotta né a una particolare soglia Niño-3.4 né a un unico metodo di classificazione dell’ENSO.
3. Risultati
I risultati ottenuti da Song e Son mostrano con particolare chiarezza che la relazione tra El Niño–Southern Oscillation e la frequenza dei riscaldamenti stratosferici improvvisi non può essere descritta mediante una semplice associazione lineare tra la fase dell’ENSO e la probabilità di collasso del vortice polare. L’elemento più robusto che emerge dall’analisi riguarda El Niño: indipendentemente dalla definizione di SSW utilizzata, gli eventi risultano più frequenti durante gli inverni di El Niño rispetto a quelli caratterizzati da condizioni ENSO neutrali. La risposta associata a La Niña è invece molto più complessa e dipende fortemente dal criterio utilizzato per identificare un SSW. Questo risultato rappresenta il nucleo scientifico dello studio, perché dimostra che una parte delle discrepanze riscontrate nella letteratura precedente non deriva necessariamente da una reale incoerenza della dinamica atmosferica, ma dal fatto che differenti definizioni selezionano aspetti diversi della perturbazione del vortice polare.
Nella prima fase dell’analisi gli autori confrontano le statistiche degli SSW ottenute mediante sette differenti criteri diagnostici utilizzando la rianalisi NCEP–NCAR e la classificazione ENSO del Climate Prediction Center. La frequenza viene espressa come numero di eventi rispetto al numero degli inverni appartenenti a ciascuna fase ENSO. È importante sottolineare che questa frequenza può superare il cento per cento, perché in uno stesso inverno possono verificarsi più riscaldamenti stratosferici improvvisi. Questo dettaglio metodologico è importante per evitare di interpretare la frequenza come semplice probabilità che almeno un evento si verifichi in una determinata stagione. Essa descrive invece il numero medio di SSW rispetto al numero di inverni appartenenti alla categoria climatica considerata.
Le definizioni WMO e U60 producono statistiche molto simili e riproducono sostanzialmente il risultato già evidenziato da Butler e Polvani e successivamente da Butler e collaboratori: gli SSW risultano più frequenti sia durante El Niño sia durante La Niña rispetto agli inverni neutrali. Utilizzando questi criteri, la frequenza raggiunge approssimativamente il 70–80% durante gli inverni ENSO, mentre si attesta intorno al 35% nelle condizioni neutrali. Un simile comportamento suggerisce apparentemente una relazione non monotona fra ENSO e SSW: sia le anomalie positive sia quelle negative delle SST del Pacifico equatoriale sembrerebbero aumentare la probabilità di forti perturbazioni stratosferiche rispetto allo stato neutrale.
Questo comportamento è però sorprendente se confrontato con lo stato medio stagionale del vortice polare. Come mostrato nella Figura 1, El Niño tende a produrre un vortice mediamente debole e caldo, mentre La Niña favorisce una circolazione polare mediamente più fredda e intensa. Se la frequenza degli SSW fosse determinata unicamente dalla forza media del vortice, ci si aspetterebbe quindi una risposta quasi monotona: più SSW durante El Niño, valori intermedi negli anni neutrali e meno eventi durante La Niña. Il fatto che le definizioni WMO e U60 mostrino invece un’elevata frequenza durante entrambe le fasi ENSO era stato interpretato negli studi precedenti come evidenza di una risposta non lineare del sistema stratosferico.
La nuova analisi di Song e Son mostra tuttavia che questa conclusione dipende fortemente dal criterio utilizzato. Tutte e sette le definizioni concordano nel mostrare una maggiore frequenza degli SSW durante El Niño rispetto agli inverni neutrali, anche quando la differenza non raggiunge sempre la piena significatività statistica. Questo costituisce uno dei risultati più solidi dello studio. El Niño appare quindi associato in maniera consistente a condizioni stratosferiche favorevoli a una maggiore frequenza dei grandi riscaldamenti, indipendentemente dal fatto che l’evento venga diagnosticato attraverso l’inversione del vento a una specifica latitudine, una media polare, l’anomalia del geopotenziale, una modalità statistica o la geometria bidimensionale del vortice.
La Niña presenta invece un quadro molto diverso. Con le definizioni WMO e U60 la frequenza degli SSW risulta superiore a quella degli anni neutrali, mentre utilizzando U65 e U60–90 diventa sostanzialmente comparabile. Con Z60–90 ed EOFU la frequenza appare addirittura leggermente inferiore a quella neutrale. La definizione 2DM costituisce un caso particolare, mostrando una frequenza degli eventi durante La Niña persino superiore rispetto alle altre categorie. Queste differenze indicano che il segnale La Niña–SSW non possiede la stessa robustezza del segnale El Niño–SSW.
Gli autori raggruppano quindi le definizioni in due famiglie. Il primo gruppo, formato da WMO, U60 e 2DM, suggerisce una maggiore frequenza degli SSW durante entrambe le fasi ENSO rispetto alla neutralità. Il secondo gruppo, comprendente U65, U60–90, Z60–90 ed EOFU, mostra invece un aumento consistente soltanto durante El Niño. All’interno di questo secondo gruppo la frequenza degli SSW durante La Niña non risulta statisticamente distinguibile da quella degli anni neutrali neppure adottando un livello di confidenza relativamente permissivo. Questo risultato modifica sostanzialmente l’interpretazione della relazione ENSO–SSW proposta in precedenza, perché mostra che l’apparente preferenza degli SSW per gli inverni di La Niña non costituisce necessariamente una proprietà generale della stratosfera, ma può emergere soltanto quando vengono utilizzati determinati criteri diagnostici.
Per capire l’origine di questa sensibilità, Song e Son concentrano l’attenzione sulle definizioni U60 e U65. Questa scelta è particolarmente efficace perché i due criteri sono quasi identici e differiscono soltanto per la latitudine utilizzata per valutare l’inversione del vento zonale. U60 considera 60°N, mentre U65 utilizza 65°N. Eliminando quasi tutte le altre differenze metodologiche, gli autori possono isolare l’effetto della sola latitudine diagnostica. È un confronto estremamente importante, perché dimostra quanto possa essere delicata la classificazione di un evento stratosferico quando la struttura del vento varia rapidamente con la latitudine.
Spostando la latitudine di riferimento di soli cinque gradi verso il Polo, U65 identifica quattro SSW aggiuntivi durante El Niño e sei eventi aggiuntivi negli inverni neutrali, mentre durante La Niña il numero rimane quasi invariato. Di conseguenza, la frequenza degli SSW durante La Niña e quella degli anni neutrali diventano praticamente comparabili utilizzando U65, mentre con U60 La Niña mostra una frequenza nettamente maggiore. Questo risultato dimostra che la relazione statistica può cambiare semplicemente spostando il punto diagnostico di pochi gradi di latitudine.
La spiegazione emerge chiaramente analizzando gli eventi individuali. Durante alcuni inverni di El Niño il vento a 65°N diventa effettivamente orientale, soddisfacendo quindi il criterio U65, mentre a 60°N si indebolisce quasi fino allo zero senza però invertire il proprio segno. È una differenza apparentemente minima ma decisiva ai fini della classificazione. Nel febbraio 1958, per esempio, il vento a 65°N decelera rapidamente fino a diventare orientale, mentre a 60°N scende fino a circa 1 metro al secondo ma rimane occidentale. Lo stesso accade negli eventi del gennaio 1977 e del febbraio 1995, durante i quali il vento a 60°N raggiunge valori estremamente prossimi allo zero senza attraversarlo.
Questi casi mostrano che la differenza tra una classificazione major e una minor warming può dipendere da un problema di soglia piuttosto che da una vera differenza qualitativa nella dinamica dell’evento. Un episodio capace di ridurre il vento a valori quasi nulli a 60°N ma di invertirlo a 65°N può apparire come un major SSW secondo una definizione e come un evento non maggiore secondo un’altra. Se la soglia U60 venisse modificata leggermente, consentendo valori prossimi allo zero anziché richiedere l’inversione completa, le statistiche diventerebbero molto simili a quelle della definizione U65.
Questo risultato si collega direttamente alle riflessioni metodologiche di Butler et al. sulle definizioni degli SSW. Il carattere discreto della classificazione viene applicato a una variabile atmosferica continua. Il vento può passare da diversi metri al secondo occidentali a valori quasi nulli senza oltrepassare formalmente la soglia, eppure dal punto di vista dinamico il vortice può essere profondamente perturbato. Ne deriva che due episodi quasi indistinguibili fisicamente possono essere collocati in categorie differenti semplicemente perché uno supera di poco la linea dello zero mentre l’altro si arresta immediatamente sopra di essa.
La cosa più interessante è che questo problema di soglia appare molto meno importante durante La Niña. Gli eventi SSW verificatisi negli inverni di La Niña tendono infatti a presentare un’inversione del vento molto più estesa in latitudine. Analizzando la latitudine più meridionale raggiunta dall’inversione entro venti giorni dall’inizio dell’evento U65, Song e Son trovano che durante La Niña l’inversione si estende mediamente fino a circa 46°N, mentre durante El Niño raggiunge mediamente soltanto circa 53,5°N. Negli inverni neutrali il limite medio è ancora più settentrionale, vicino a 55,6°N. Queste differenze sono molto importanti perché indicano che la perturbazione stratosferica associata a La Niña interessa una fascia latitudinale più ampia.
Gli autori escludono dal calcolo gli episodi nei quali l’inversione si estende troppo profondamente verso i subtropici ed è quindi potenzialmente contaminata dall’influenza della Quasi-Biennial Oscillation. Questa precauzione è importante perché la QBO modifica significativamente la struttura dei venti equatoriali e subtropicali della stratosfera e può influenzare l’estensione latitudinale delle anomalie, rendendo più difficile distinguere il segnale direttamente associato agli SSW. Anche dopo questa esclusione, tuttavia, la differenza tra El Niño e La Niña rimane evidente.
La più ampia inversione del vento durante La Niña spiega perché gli stessi eventi vengano riconosciuti facilmente sia a 60°N sia a 65°N. Se l’inversione interessa una regione che si estende da circa 46°N fino al Polo, spostare la latitudine diagnostica di cinque gradi non cambia sostanzialmente il risultato. Durante El Niño, invece, l’inversione tende a essere confinata più a nord e può quindi attraversare la soglia a 65°N senza raggiungerla a 60°N. La sensibilità della frequenza degli SSW alla definizione utilizzata non rappresenta quindi soltanto un problema statistico: riflette una reale differenza nella struttura spaziale degli eventi.
Per comprendere perché l’inversione del vento sia più ampia durante La Niña, Song e Son analizzano l’attività ondulatoria che precede gli SSW. Il parametro utilizzato è il flusso di calore eddy a 100 hPa, comunemente impiegato come indicatore della propagazione verticale delle onde planetarie dalla troposfera verso la stratosfera. Gli studi di Polvani e Waugh hanno dimostrato che l’intensità del flusso di calore nella bassa stratosfera costituisce un importante precursore delle variazioni del vortice polare, poiché rappresenta l’attività delle onde che trasportano energia e momento verso l’alto e che possono successivamente decelerare la circolazione zonale.
L’analisi mostra innanzitutto che lo stato di fondo del vortice è diverso nelle due fasi ENSO. Durante El Niño il vento stratosferico prima dell’evento è mediamente più debole rispetto a La Niña, coerentemente con la risposta stagionale mostrata nella Figura 1. Questa differenza è statisticamente significativa e si accompagna a una maggiore attività ondulatoria durante El Niño diverse settimane prima dell’SSW. Taguchi e Hartmann e Calvo et al. avevano già documentato una maggiore propagazione delle onde planetarie durante El Niño, soprattutto alle alte latitudini, collegandola all’indebolimento medio del vortice polare.
La conseguenza dinamica è importante: un vortice già debole richiede un forcing ondulatorio relativamente più modesto per raggiungere l’inversione del vento. Durante El Niño l’atmosfera stratosferica parte quindi da uno stato precondizionato, caratterizzato da venti occidentali meno intensi. Quando arriva un ulteriore impulso di attività ondulatoria, non è necessario che esso sia eccezionalmente forte per produrre un SSW. Durante La Niña, invece, il vortice di fondo è mediamente più robusto. Per superare questa maggiore resistenza dinamica è necessario un forcing ondulatorio più intenso immediatamente prima dell’evento.
Ed è proprio ciò che emerge dalle analisi temporali. Nel periodo compreso approssimativamente tra quindici giorni prima dell’SSW e l’inizio dell’evento, l’attività ondulatoria associata agli SSW di La Niña è più intensa rispetto a quella degli eventi di El Niño. Questo risultato risolve in parte l’apparente paradosso rappresentato dalla coesistenza di un vortice stagionalmente forte e di importanti riscaldamenti stratosferici durante La Niña. Non è necessario che La Niña produca un vortice climatologicamente debole: è sufficiente che, occasionalmente, il sistema troposferico generi impulsi ondulatori abbastanza forti da sopraffare un vortice inizialmente più intenso.
Una seconda differenza riguarda la latitudine alla quale il forcing ondulatorio raggiunge la propria massima intensità. Durante El Niño il massimo del flusso di calore eddy è localizzato a latitudini più elevate, attorno a 70°N, mentre durante La Niña si trova più a sud, intorno a 61°N. La differenza nella posizione del forcing è fisicamente coerente con la differente estensione latitudinale dell’inversione del vento. Un impulso concentrato alle alte latitudini tende a perturbare maggiormente la parte interna del vortice polare e produce quindi un’inversione relativamente confinata verso il Polo. Un forcing più intenso e spostato verso latitudini inferiori può invece esercitare una decelerazione su una regione più estesa, favorendo un’inversione del vento che raggiunge molto più a sud.
La correlazione tra la latitudine del massimo flusso di calore e quella più meridionale dell’inversione del vento rimane relativamente debole, mostrando che questo meccanismo non può spiegare da solo tutta la variabilità evento per evento. Il valore della correlazione, pari a circa 0,25, indica che numerosi altri fattori contribuiscono alla struttura finale dell’SSW. Fra questi possono rientrare la configurazione verticale del vortice, la fase e l’ampiezza delle onde planetarie, il precondizionamento stratosferico, la struttura delle onde stazionarie e transitorie nella troposfera e l’interazione fra differenti numeri d’onda. Tuttavia, il segnale medio suggerisce che la latitudine del forcing costituisca almeno uno dei fattori capaci di modulare l’ampiezza latitudinale dell’inversione.
La decomposizione dell’attività ondulatoria nei principali numeri d’onda fornisce un ulteriore elemento interpretativo. Gli SSW associati a El Niño sono dominati soprattutto dalle onde planetarie di numero d’onda zonale 1. Durante La Niña, invece, contribuiscono in maniera significativa sia il numero d’onda 1 sia il numero d’onda 2. Questa differenza è coerente con la letteratura precedente. Garfinkel et al. hanno mostrato che durante El Niño il numero d’onda 1 tende a rafforzarsi alle alte latitudini, mentre durante La Niña aumenta maggiormente il contributo del numero d’onda 2 a latitudini più basse. Taguchi e Hartmann, attraverso simulazioni con un modello capace di rappresentare dettagliatamente la stratosfera, trovarono un rafforzamento del numero d’onda 1 vicino a 65°N in risposta a condizioni oceaniche di tipo El Niño e una maggiore ampiezza del numero d’onda 2 intorno a 55°N in condizioni di tipo La Niña.
Questa diversa struttura ondulatoria può contribuire direttamente alla diversa geometria degli SSW. Le onde planetarie di numero d’onda 1 sono frequentemente associate a grandi deformazioni asimmetriche e a spostamenti del vortice polare rispetto al Polo, mentre il numero d’onda 2 può favorire configurazioni nelle quali il vortice viene fortemente allungato o diviso. La relazione non è rigidamente deterministica, ma la diversa distribuzione dei numeri d’onda modifica il pattern spaziale della deposizione di momento e quindi la regione nella quale i venti occidentali vengono decelerati con maggiore efficacia.
Questi risultati introducono un’interpretazione molto più sofisticata del rapporto ENSO–SSW rispetto alla semplice idea che El Niño indebolisca il vortice e La Niña lo rafforzi. El Niño agisce soprattutto modificando lo stato di fondo: la maggiore attività ondulatoria nelle settimane precedenti precondiziona un vortice mediamente più debole, che può essere portato all’inversione anche da un impulso relativamente moderato e prevalentemente concentrato alle alte latitudini. La Niña, al contrario, tende a mantenere un vortice più forte, ma gli SSW che riescono comunque a verificarsi sono associati a impulsi ondulatori relativamente più intensi e distribuiti a latitudini inferiori, capaci quindi di produrre una perturbazione più ampia.
Questo quadro aiuta anche a comprendere perché gli eventi di La Niña identificati da U60 e U65 siano sostanzialmente gli stessi. La forte e ampia inversione latitudinale caratteristica di questi episodi supera la soglia in entrambe le posizioni. Negli eventi di El Niño, invece, l’inversione più confinata permette frequentemente che i venti diventino orientali a 65°N ma restino debolmente occidentali a 60°N. Di conseguenza la frequenza degli SSW di El Niño aumenta spostando la latitudine diagnostica verso nord, così come aumenta quella degli anni neutrali, mentre la frequenza associata a La Niña cambia poco. È proprio questo effetto a trasformare la relazione ENSO–SSW osservata con U60 in quella osservata con U65.
L’analisi offre quindi una spiegazione fisica al problema metodologico evidenziato nella prima parte dei risultati. La sensibilità alla definizione non è casuale, ma riflette reali differenze nella struttura degli eventi. Gli SSW non rappresentano semplicemente casi nei quali una singola variabile attraversa una soglia universale; sono perturbazioni spazialmente organizzate della circolazione polare, e la loro classificazione dipende dal punto e dalla variabile attraverso cui vengono osservate. Se le caratteristiche spaziali degli eventi differiscono sistematicamente tra El Niño e La Niña, allora anche la statistica ENSO–SSW può cambiare in funzione della definizione.
Le implicazioni di questo risultato sono importanti per l’interpretazione della letteratura precedente. Butler e Polvani avevano evidenziato una frequenza elevata degli SSW durante entrambe le fasi ENSO utilizzando una definizione strettamente legata all’inversione del vento a 60°N. Song e Son non dimostrano che quel risultato sia errato: mostrano piuttosto che esso descrive una specifica proprietà del vortice e non può essere automaticamente generalizzato a tutte le possibili definizioni degli SSW. Quando si utilizzano criteri che campionano altre latitudini o proprietà più integrate della circolazione, l’aumento degli SSW durante La Niña diventa molto meno evidente.
Al contrario, il segnale associato a El Niño emerge attraverso tutte le definizioni considerate. Questo conferisce particolare solidità all’idea che El Niño costituisca un effettivo fattore di precondizionamento favorevole agli SSW. La maggiore propagazione delle onde planetarie, il vortice mediamente più debole e la risposta della circolazione stratosferica forniscono una base dinamica coerente per spiegare tale aumento. Non significa che ogni El Niño debba produrre un SSW, ma significa che lo stato atmosferico medio rende più probabile che un impulso ondulatorio riesca a generare una perturbazione sufficientemente intensa.
La Niña deve invece essere interpretata in modo più selettivo. La sua associazione con un vortice medio più forte rimane valida, ma non esclude la possibilità di forti SSW. Gli eventi che si verificano durante La Niña sembrano però richiedere condizioni dinamiche specifiche, caratterizzate da un forcing ondulatorio intenso, da un contributo relativamente importante delle onde di numero d’onda 2 e da una perturbazione capace di estendersi verso latitudini più basse. La loro presenza non rappresenta quindi una contraddizione rispetto alla climatologia stagionale, ma il risultato di eventi transitori sufficientemente energici da superare uno stato di fondo meno favorevole.
Nel complesso, la sezione dei risultati di Song e Son fornisce una lettura profondamente dinamica della relazione ENSO–SSW. Il messaggio principale è che El Niño e La Niña non modulano soltanto la probabilità degli eventi, ma anche la loro struttura spaziale, la latitudine del forcing ondulatorio, il contributo dei diversi numeri d’onda e l’estensione meridionale dell’inversione dei venti. È proprio questa differenza strutturale a determinare la sensibilità delle statistiche alla definizione utilizzata. L’aumento degli SSW durante El Niño appare robusto perché emerge indipendentemente dalla diagnostica adottata; quello durante La Niña, invece, dipende maggiormente dalla caratteristica del vortice che viene scelta per definire l’evento.
Questa conclusione rappresenta un importante avanzamento concettuale rispetto alla semplice associazione statistica fra ENSO e frequenza degli SSW. Il comportamento del vortice polare non può essere compreso attraverso una sola variabile né attraverso una singola soglia. Occorre considerare simultaneamente lo stato di fondo della stratosfera, la distribuzione latitudinale delle anomalie, l’intensità e la posizione del forcing ondulatorio, la composizione in numeri d’onda e il criterio diagnostico utilizzato. Solo attraverso questa prospettiva multidimensionale diventa possibile riconciliare il fatto che El Niño favorisca un vortice mediamente debole, La Niña un vortice mediamente forte, e tuttavia entrambi possano produrre riscaldamenti stratosferici improvvisi attraverso percorsi dinamici differenti.
Figura 2 – Frequenza dei riscaldamenti stratosferici improvvisi durante El Niño, La Niña e inverni ENSO neutrali: il ruolo decisivo della definizione degli SSW
La Figura 2 dello studio di Song e Son costituisce uno dei risultati più importanti per comprendere la natura complessa e non lineare della relazione tra El Niño–Southern Oscillation e i riscaldamenti stratosferici improvvisi. La figura mette infatti in evidenza un aspetto che non emerge immediatamente quando si considera soltanto lo stato medio stagionale del vortice polare: mentre l’associazione fra El Niño e una maggiore frequenza degli SSW appare estremamente robusta rispetto al criterio diagnostico impiegato, il comportamento durante La Niña cambia considerevolmente quando viene modificata la definizione con cui gli eventi stratosferici vengono identificati. Questa differenza rappresenta il nucleo dell’argomentazione sviluppata da Song e Son e costringe a interpretare con maggiore cautela i risultati precedenti secondo cui entrambe le fasi ENSO favorirebbero, in misura sostanzialmente analoga, il verificarsi di major SSW. Gli autori mostrano invece che tale conclusione è valida soltanto per determinate definizioni, mentre il segnale di El Niño permane attraverso tutte le sette diagnostiche considerate.
Il pannello superiore della figura rappresenta il numero assoluto degli eventi identificati durante gli inverni di El Niño, ENSO neutrali e La Niña per ciascuna delle sette definizioni adottate nello studio: WMO, U60, U65, U60–90, Z60–90, EOFU e 2DM. Già questa rappresentazione consente di cogliere una caratteristica particolarmente evidente: qualunque sia la definizione utilizzata, il numero degli SSW durante El Niño è superiore a quello osservato negli inverni neutrali. Con la definizione WMO vengono identificati circa 13 eventi durante El Niño contro 7 negli anni neutrali; con U60 il divario aumenta a circa 15 contro 7; con U65 gli eventi di El Niño salgono a circa 19 rispetto a 13 neutrali, mentre U60–90 ne identifica circa 20 contro 14. Anche Z60–90, EOFU e 2DM mantengono un numero maggiore di SSW negli inverni di El Niño rispetto a quelli neutrali. Nonostante le differenze considerevoli nel numero totale degli eventi identificati dalle varie diagnostiche, il segno della risposta rimane quindi invariato.
Questo comportamento costituisce un’importante evidenza a favore della robustezza della teleconnessione El Niño–stratosfera. Le diverse definizioni non rappresentano esattamente lo stesso aspetto della circolazione: alcune utilizzano l’inversione del vento zonale a una latitudine prestabilita, altre una media sulla calotta polare, altre ancora l’altezza geopotenziale, la modalità dominante della variabilità del vento oppure la geometria bidimensionale del vortice. Il fatto che tutte convergano nell’identificare una frequenza degli SSW superiore durante El Niño implica che la risposta non sia confinata a una singola caratteristica diagnostica. Song e Son sottolineano precisamente questo punto: l’aumento degli SSW durante gli inverni di El Niño emerge con tutte le sette definizioni, sebbene la significatività statistica non sia identica in ciascun caso.
La spiegazione dinamica è coerente con una vasta letteratura sull’accoppiamento ENSO–stratosfera. El Niño modifica la convezione tropicale e la distribuzione del riscaldamento diabatico nel Pacifico, generando anomalie nella propagazione delle onde di Rossby verso le medie e alte latitudini. Queste teleconnessioni alterano la struttura delle onde planetarie quasi stazionarie nel Pacifico settentrionale e possono favorire una maggiore propagazione verticale dell’attività ondulatoria verso la stratosfera. Quando le onde planetarie raggiungono la stratosfera polare, la loro dissipazione trasferisce momento alla circolazione media e tende a decelerare i venti occidentali del vortice. Il vortice diventa quindi mediamente più debole e più suscettibile a ulteriori perturbazioni, creando un ambiente dinamico nel quale una successiva intensificazione delle onde può più facilmente produrre un major SSW.
Il comportamento di La Niña mostrato nella Figura 2 è invece profondamente differente. Con la definizione WMO vengono identificati circa 13 SSW, praticamente il doppio dei circa 7 eventi registrati durante gli inverni neutrali. Una situazione molto simile appare con U60, dove gli eventi di La Niña sono circa 13 rispetto ai 7 degli anni neutrali. Se ci si limitasse a queste due definizioni si arriverebbe quindi alla stessa conclusione avanzata da Butler e Polvani: gli SSW sembrerebbero favoriti non soltanto da El Niño, ma anche da La Niña, mentre gli inverni ENSO neutrali rappresenterebbero la condizione nella quale il vortice polare sperimenta meno grandi perturbazioni.
Il lavoro di Butler e Polvani del 2011 aveva infatti prodotto un risultato sorprendente. Analizzando il periodo 1958–2010, gli autori identificarono 34 major SSW nella NCEP–NCAR Reanalysis, dei quali 13 durante El Niño, 14 durante La Niña e soltanto 7 negli inverni neutrali. Normalizzando per il numero di stagioni appartenenti alle tre categorie, ottennero frequenze di circa 0,72 SSW per inverno durante El Niño, 0,78 durante La Niña e 0,41 durante condizioni neutrali. Gli SSW risultavano quindi quasi due volte più frequenti durante entrambe le fasi ENSO rispetto alla neutralità. Questa scoperta aveva contribuito a consolidare l’idea di una relazione non monotona tra ENSO e variabilità stratosferica: pur avendo El Niño e La Niña effetti opposti sulla forza media stagionale del vortice, entrambe le fasi sembravano favorire gli eventi estremi.
La Figura 2 di Song e Son dimostra tuttavia che questa conclusione cambia considerevolmente passando da U60 alle altre definizioni. Con U65, per esempio, vengono identificati circa 12 SSW durante La Niña e circa 13 negli anni neutrali. Le due frequenze diventano quindi praticamente indistinguibili. Lo stesso avviene con U60–90: La Niña produce circa 12 eventi, mentre la neutralità ne presenta circa 14. La relazione si inverte ulteriormente con Z60–90, per la quale gli SSW di La Niña sono circa 9 rispetto ai 13 degli inverni neutrali, e con EOFU, dove La Niña presenta circa 6 eventi rispetto a circa 8 durante la neutralità. Solo la definizione 2DM ritorna a un comportamento fortemente favorevole a La Niña, identificando circa 12 eventi contro appena 6 negli anni neutrali.
Il pannello inferiore rende queste differenze ancora più significative perché presenta la frequenza degli SSW normalizzata per il numero degli inverni appartenenti a ciascuna fase ENSO. Questa normalizzazione è indispensabile, poiché El Niño, La Niña e neutralità non possiedono necessariamente lo stesso numero di stagioni nel campione. Inoltre, Song e Son ricordano che la frequenza può superare il 100%, perché nello stesso inverno possono verificarsi più eventi SSW. Un valore del 100% non significa pertanto che esattamente ogni inverno abbia sperimentato un singolo riscaldamento, ma che il numero totale degli eventi equivale al numero degli inverni appartenenti alla categoria considerata.
Utilizzando la definizione WMO, la frequenza degli SSW durante El Niño è vicina al 70%, quella di La Niña è poco superiore al 70%, mentre durante gli inverni neutrali scende a circa il 35%. Con U60 la separazione è altrettanto evidente: El Niño si colloca intorno all’80%, La Niña poco sopra il 70% e la neutralità ancora vicino al 35%. È proprio questa configurazione che riproduce i risultati di Butler e Polvani e suggerisce una relazione a forma non monotona, nella quale entrambe le estremità della variabilità ENSO presentano più SSW rispetto alla condizione centrale neutrale.
Il quadro cambia profondamente con U65. La frequenza degli SSW durante El Niño raggiunge circa il 100%, risultando nettamente superiore alle altre categorie e statisticamente significativa. La Niña si colloca intorno al 65–70%, ma praticamente lo stesso valore viene osservato negli inverni neutrali. In questo caso non esiste quindi più alcuna evidenza di una particolare preferenza degli SSW per La Niña. Il passaggio da U60 a U65 consiste soltanto nello spostamento della latitudine diagnostica da 60°N a 65°N, ma questa variazione apparentemente modesta è sufficiente a modificare la conclusione climatologica.
La definizione U60–90 produce una separazione ancora più pronunciata. Durante El Niño la frequenza supera leggermente il 100%, mentre gli anni neutrali si collocano intorno al 70% e La Niña intorno al 65–70%. L’apparente vantaggio di La Niña rispetto alla neutralità osservato con U60 è completamente scomparso. La situazione è analoga con Z60–90, dove El Niño rimane vicino all’80%, mentre gli anni neutrali raggiungono circa il 65% e La Niña scende intorno al 50%. Con EOFU El Niño presenta una frequenza poco superiore al 60%, la neutralità circa il 40% e La Niña poco più del 30%. In queste definizioni La Niña non soltanto non favorisce chiaramente gli SSW, ma può apparire associata a una frequenza inferiore rispetto alla neutralità.
La definizione 2DM costituisce un’eccezione particolarmente interessante. Essa presenta una frequenza di La Niña prossima a due terzi degli inverni, superiore sia a El Niño, vicino al 50%, sia alla neutralità, intorno al 30%. Questo comportamento non deve però essere interpretato come una contraddizione. La diagnostica 2DM è infatti molto diversa dalle definizioni basate sull’inversione del vento medio zonale: utilizza proprietà geometriche del vortice, valutandone deformazione e posizione. Di conseguenza può selezionare perturbazioni morfologiche particolarmente pronunciate che non coincidono necessariamente con le stesse anomalie intercettate dai criteri U60, U65 o U60–90.
La differenza tra le varie definizioni conferma una delle principali conclusioni raggiunte da Butler e collaboratori nel loro lavoro dedicato alla definizione degli SSW: non esiste una singola diagnostica capace di rappresentare perfettamente ogni possibile aspetto di un riscaldamento stratosferico improvviso. Un SSW è un processo tridimensionale che coinvolge contemporaneamente vento, temperatura, geopotenziale, attività ondulatoria e geometria del vortice. Ridurre tutto il fenomeno all’attraversamento di una singola soglia produce inevitabilmente una classificazione utile ma incompleta. La Figura 2 dimostra quanto questa questione possa diventare importante quando le statistiche degli eventi vengono utilizzate per studiare le teleconnessioni climatiche.
Gli asterischi riportati nel pannello inferiore aggiungono un’informazione altrettanto importante. Essi identificano le frequenze statisticamente distinguibili da quelle degli inverni ENSO neutrali: un singolo asterisco indica una significatività al 90%, mentre due indicano il 95%. La distribuzione degli asterischi mostra che il segnale statisticamente più coerente riguarda El Niño. Per diverse definizioni la frequenza degli SSW durante El Niño è significativamente maggiore di quella degli anni neutrali. La Niña raggiunge invece la significatività soltanto con alcune diagnostiche, confermando che la sua relazione con gli SSW è molto meno robusta.
La divisione proposta da Song e Son in due grandi gruppi di definizioni è quindi particolarmente istruttiva. WMO, U60 e 2DM costituiscono il gruppo nel quale gli SSW risultano più frequenti durante entrambe le fasi ENSO rispetto alla neutralità. U65, U60–90, Z60–90 ed EOFU costituiscono invece il gruppo nel quale soltanto El Niño mostra coerentemente un aumento, mentre La Niña non risulta statisticamente separabile dagli anni neutrali neppure al livello di confidenza del 90%. Questa divisione mostra come l’affermazione “gli SSW sono più frequenti durante gli inverni ENSO” sia troppo generale: essa dipende in maniera sostanziale da quale proprietà del vortice venga scelta per definire un evento.
Il confronto fra U60 e U65 è quello che permette di comprendere più chiaramente la ragione fisica di questa sensibilità. Le due definizioni sono praticamente identiche, eccetto per la latitudine di riferimento. Eppure U65 rileva quattro eventi aggiuntivi durante El Niño e sei durante gli inverni neutrali, mentre durante La Niña identifica praticamente lo stesso numero di episodi di U60. Di conseguenza, aumentando il numero degli eventi nelle prime due categorie ma non in quella di La Niña, la differenza tra La Niña e neutralità scompare.
La spiegazione è legata all’estensione latitudinale dell’inversione del vento. Negli eventi associati a El Niño, e in misura simile negli anni neutrali, l’inversione tende frequentemente a essere confinata alle latitudini più elevate. Il vento può quindi diventare orientale a 65°N pur rimanendo debolmente occidentale a 60°N. In alcuni degli episodi analizzati da Song e Son il vento a 60°N raggiunge valori praticamente nulli senza attraversare formalmente la soglia dello zero. La differenza tra essere classificati come major SSW oppure no deriva quindi da pochi decimi di metro al secondo. Ciò evidenzia il problema intrinseco delle soglie discrete applicate a una variabile atmosferica continua.
Durante La Niña la situazione appare invece differente. Gli eventi che riescono a perturbare un vortice di fondo mediamente più forte tendono a essere associati a un’inversione del vento estesa su una fascia latitudinale molto più ampia. Song e Son mostrano che la latitudine meridionale media raggiunta dall’inversione è prossima a 46°N durante La Niña, mentre rimane intorno a 53,5°N durante El Niño e a circa 55,6°N negli anni neutrali. Pertanto gli SSW di La Niña, una volta sviluppati, tendono a superare chiaramente la soglia sia a 60° sia a 65°N. La loro identificazione è molto meno sensibile allo spostamento di cinque gradi della latitudine diagnostica.
Questa differenza può essere compresa considerando lo stato di fondo del vortice e l’intensità del forcing ondulatorio. Durante El Niño il vortice è già mediamente indebolito dalla maggiore attività delle onde planetarie stagionali. È quindi possibile che un impulso relativamente moderato riesca a portare i venti all’inversione alle alte latitudini senza necessariamente produrre una vasta inversione estesa verso sud. Durante La Niña, al contrario, il vortice di fondo è normalmente più forte. Affinché un SSW riesca comunque a svilupparsi, è necessario un forcing ondulatorio transitorio particolarmente intenso. Gli eventi che superano questa barriera dinamica possono pertanto produrre un collasso più esteso latitudinalmente.
Questo quadro permette di riconciliare i risultati di Song e Son con quelli di Butler e Polvani anziché considerarli in conflitto. Butler e Polvani avevano correttamente mostrato che, utilizzando una definizione basata sull’inversione del vento a 60°N e 10 hPa, gli SSW risultavano quasi due volte più frequenti sia durante El Niño sia durante La Niña rispetto agli anni neutrali. Song e Son dimostrano che quella relazione è reale per quella specifica diagnostica, ma non può essere generalizzata automaticamente a tutte le possibili definizioni. Il risultato robusto è l’aumento associato a El Niño; quello di La Niña rappresenta invece una proprietà più sensibile alla struttura dell’evento e al criterio impiegato per osservarla.
Dal punto di vista della dinamica delle onde planetarie, questa asimmetria assume ulteriore significato. Gli eventi di El Niño sono associati prevalentemente a una maggiore attività del numero d’onda zonale 1 alle alte latitudini, mentre durante La Niña può diventare relativamente più importante anche il numero d’onda 2 a latitudini inferiori. La diversa combinazione dei numeri d’onda modifica sia la geometria del vortice sia la distribuzione latitudinale della decelerazione del vento. Per questo un criterio geometrico come 2DM può mostrare una risposta diversa rispetto a una diagnostica basata sul vento zonale.
La Figura 2 fornisce quindi anche una lezione importante per la climatologia degli eventi estremi. Quando il campione è relativamente piccolo, come avviene necessariamente per gli SSW, poche differenze nella classificazione possono modificare notevolmente le frequenze relative. Nel periodo analizzato vi sono soltanto alcune decine di SSW complessivi e il campione viene successivamente suddiviso tra tre categorie ENSO. Aggiungere o rimuovere quattro o cinque eventi può quindi modificare sostanzialmente una percentuale. È per questo che la robustezza rispetto alla definizione costituisce un requisito molto più importante di quanto sarebbe per un fenomeno osservato centinaia o migliaia di volte.
Un altro insegnamento riguarda il significato della significatività statistica. L’assenza di significatività per La Niña in diverse definizioni non dimostra che La Niña non eserciti alcuna influenza sulla stratosfera. Indica piuttosto che, con il campione disponibile e con quelle specifiche diagnostiche, non è possibile distinguere in maniera sufficientemente robusta la frequenza degli SSW da quella degli inverni neutrali. Questo è diverso dall’affermare che le due popolazioni atmosferiche siano fisicamente identiche. La Figura 1 dello stesso studio mostra infatti che La Niña modifica chiaramente lo stato medio e la variabilità del vortice. La Figura 2 dimostra semplicemente che tali modificazioni non si traducono sempre in una maggiore frequenza di eventi che superano una determinata soglia diagnostica.
Il risultato ha implicazioni dirette anche per la previsione stagionale. La presenza di El Niño può essere interpretata come un fattore di precondizionamento che aumenta in maniera relativamente robusta la probabilità di una stratosfera più perturbata e di SSW. Ciò non significa che un SSW debba necessariamente verificarsi in ogni inverno di El Niño: Butler e Polvani ricordavano, per esempio, che alcuni degli eventi di El Niño più intensi del record non erano stati accompagnati da un major SSW. La teleconnessione deve quindi essere considerata probabilistica e non deterministica. El Niño modifica il background e la propagazione delle onde, ma l’insorgenza di un singolo SSW dipende dalla sequenza concreta degli impulsi ondulatori e dallo stato istantaneo del vortice.
Per La Niña la prudenza deve essere ancora maggiore. La Figura 2 non sostiene che La Niña impedisca gli SSW: alcuni eventi molto intensi si verificano effettivamente durante questa fase. Suggerisce invece che non esiste una prova robusta, indipendente dalla definizione, che La Niña aumenti sistematicamente la frequenza degli SSW rispetto agli inverni neutrali. Gli eventi che si verificano durante La Niña possono rappresentare perturbazioni dinamicamente molto intense, in grado di superare un vortice inizialmente più forte, ma il numero con cui vengono contati dipende dalle proprietà scelte per classificare il fenomeno.
In questo senso la Figura 2 modifica profondamente il modo in cui dovrebbe essere formulata la relazione ENSO–SSW. Non è corretto ridurla all’affermazione secondo cui entrambe le fasi ENSO producono necessariamente più riscaldamenti stratosferici. Le evidenze dello studio sostengono una conclusione più articolata: El Niño è associato in modo coerente e relativamente robusto a una maggiore frequenza degli SSW rispetto alle condizioni neutrali, mentre l’aumento attribuito a La Niña dipende sensibilmente dalla definizione utilizzata e quindi dalle caratteristiche dinamiche e geometriche del vortice considerate. Questa è anche la conclusione sintetizzata nell’abstract dello studio, dove gli autori sottolineano che tutte le definizioni rilevano un aumento durante El Niño, mentre durante La Niña alcune mostrano un aumento, altre nessuna differenza e altre ancora una diminuzione.
La Figura 2 rappresenta pertanto molto più di una semplice statistica degli eventi. Essa dimostra che una teleconnessione climatica può apparire diversa a seconda della variabile attraverso cui viene osservata e che la comprensione fisica deve necessariamente precedere una generalizzazione statistica. Il vortice polare non è un sistema unidimensionale e il passaggio di un singolo vento attraverso lo zero non esaurisce la complessità di un SSW. L’estensione latitudinale dell’inversione, lo stato di fondo, l’attività delle onde planetarie e la morfologia del vortice determinano quali eventi vengano catturati dalle diverse definizioni. Per questo la risposta robusta di El Niño assume un significato scientifico particolarmente forte, mentre quella di La Niña deve essere interpretata come molto più condizionata dalla struttura degli eventi.
Nel quadro generale dello studio, la Figura 2 costituisce quindi il punto di passaggio tra la semplice statistica e l’interpretazione dinamica. Essa pone la domanda alla quale le Figure 3, 4 e 5 cercano successivamente di rispondere: perché uno spostamento relativamente piccolo della latitudine diagnostica modifica così profondamente la relazione tra La Niña e gli SSW? La risposta emerge dalla differente estensione dell’inversione del vento, dal diverso stato iniziale del vortice e dalla diversa struttura del forcing ondulatorio durante El Niño e La Niña. La figura dimostra così che la robustezza della relazione ENSO–SSW non può essere valutata contando semplicemente gli eventi, ma richiede di comprendere quale tipo di perturbazione stratosferica viene prodotto, dove si manifesta e attraverso quale criterio viene classificato. È precisamente questa distinzione che rende il lavoro di Song e Son particolarmente importante per la comprensione moderna delle interazioni tra Pacifico tropicale, onde planetarie e vortice polare stratosferico.
Figura 3 – Sensibilità della classificazione degli SSW alla latitudine di riferimento: confronto tra i criteri U60 e U65 durante gli inverni di El Niño
La Figura 3 dello studio di Song e Son costituisce uno dei passaggi più importanti per comprendere perché la relazione statistica tra El Niño–Southern Oscillation e i riscaldamenti stratosferici improvvisi possa cambiare sensibilmente quando viene modificata, anche di poco, la definizione utilizzata per identificare un major SSW. Dopo aver mostrato nella Figura 2 che le statistiche degli eventi dipendono dal criterio diagnostico adottato, gli autori utilizzano la Figura 3 per isolare un caso particolarmente istruttivo: il confronto tra le definizioni U60 e U65. Questi due criteri sono quasi identici dal punto di vista concettuale, poiché entrambi identificano un riscaldamento stratosferico improvviso attraverso l’inversione del vento zonale medio zonale a 10 hPa, ma differiscono per appena cinque gradi nella latitudine di riferimento. U60 richiede che il vento diventi orientale a 60°N, mentre U65 applica lo stesso criterio a 65°N. Una differenza spaziale apparentemente modesta produce tuttavia conseguenze rilevanti sulla classificazione degli eventi, soprattutto durante gli inverni di El Niño.
Nel pannello sinistro viene rappresentata l’evoluzione temporale del vento zonale a 60°N e 10 hPa, mentre il pannello destro mostra la stessa variabile a 65°N. Gli autori considerano specificamente gli inverni di El Niño nei quali la definizione U65 identifica eventi SSW che non vengono invece riconosciuti dalla U60. Le stagioni mostrate sono 1958, 1976/77, 1994/95 e 2002/03, ciascuna rappresentata attraverso una differente curva. Le croci indicano le date di insorgenza degli eventi individuati. La linea corrispondente al vento nullo possiede un significato diagnostico decisivo, perché rappresenta la soglia che separa la circolazione occidentale caratteristica del vortice polare invernale dalla circolazione orientale richiesta per classificare formalmente un major SSW secondo questi criteri.
Il messaggio più immediato della figura è che, negli episodi aggiuntivi individuati dalla definizione U65, il vento a 60°N subisce comunque una decelerazione estremamente pronunciata. In molti casi raggiunge valori quasi nulli, ma non attraversa formalmente la soglia necessaria per essere classificato come un major warming. A 65°N, al contrario, la stessa perturbazione atmosferica conduce il vento al di sotto dello zero. La differenza tra un evento riconosciuto e uno escluso dalla climatologia deriva quindi non necessariamente da una diversa natura dinamica dell’episodio, ma dal punto esatto nel quale viene applicato il criterio diagnostico.
L’evento del febbraio 1958 rappresenta un esempio particolarmente significativo. A 65°N il vento stratosferico rallenta in modo rapido e profondo, passando in circa due settimane da valori fortemente occidentali a valori orientali. A 60°N si verifica una decelerazione qualitativamente simile, ma il vento rimane leggermente positivo. Song e Son riportano che la velocità diminuisce approssimativamente da 13 metri al secondo a circa 1 metro al secondo. La perturbazione del vortice è quindi molto intensa anche alla latitudine più meridionale, ma non raggiunge formalmente il criterio dell’inversione. È sufficiente questa piccola differenza perché U65 classifichi l’episodio come SSW mentre U60 non lo faccia.
Ancora più eloquenti sono gli episodi del gennaio 1977 e del febbraio 1995. In questi casi il vento a 60°N scende rispettivamente fino a circa 0,02 e 0,3 metri al secondo. Si tratta di valori praticamente nulli dal punto di vista della circolazione atmosferica, ma ancora formalmente positivi. La classificazione binaria introdotta dalla soglia trasforma pertanto differenze di pochi decimi o persino centesimi di metro al secondo in una distinzione categorica tra presenza e assenza di major SSW. Dal punto di vista fisico, però, la circolazione del vortice è stata profondamente modificata in entrambi i casi.
Questa caratteristica evidenzia un problema generale delle definizioni basate su soglie discrete. L’atmosfera evolve in maniera continua, mentre la classificazione climatologica richiede necessariamente di trasformare tale continuum in categorie. Un vento di 0,1 metri al secondo viene classificato come occidentale, mentre un vento di pochi decimi di metro al secondo sotto zero viene classificato come orientale, nonostante le due configurazioni siano praticamente indistinguibili in termini di intensità della circolazione. Questo non significa che una soglia oggettiva sia inutile; al contrario, essa è indispensabile per costruire climatologie riproducibili. Significa però che i risultati statistici devono essere interpretati tenendo presente che gli eventi vicini alla soglia possono cambiare categoria in risposta a variazioni molto piccole della definizione.
Il problema era già stato discusso in maniera generale da Charlton e Polvani, che nel 2007 proposero una delle definizioni oggettive oggi più utilizzate per i major midwinter warmings. Il loro obiettivo era fornire un criterio facilmente applicabile tanto alle rianalisi quanto ai modelli climatici, evitando la soggettività presente in alcune classificazioni precedenti. La definizione basata sull’inversione del vento a 60°N e 10 hPa ha rappresentato un importante passo avanti proprio perché garantisce confrontabilità tra dataset e simulazioni. Tuttavia, come successivamente evidenziato da Butler et al. nel loro ampio riesame delle definizioni degli SSW, nessuna singola latitudine può rappresentare perfettamente il vortice polare in tutte le circostanze. La sua posizione, estensione e geometria cambiano continuamente nel corso dell’inverno e soprattutto durante gli episodi di forte attività ondulatoria.
La Figura 3 di Song e Son rende questo problema estremamente concreto. Il vortice polare non possiede infatti un bordo fisso situato a 60°N. Durante un grande disturbo, la circolazione occidentale può collassare prima nella regione polare interna e soltanto successivamente, o mai completamente, alle latitudini inferiori. Se l’inversione rimane confinata principalmente oltre 60°–65°N, la classificazione dell’evento dipenderà inevitabilmente dalla latitudine utilizzata. Un SSW può quindi essere completamente sviluppato alle alte latitudini pur lasciando una debole corrente occidentale appena più a sud.
Questa caratteristica appare particolarmente importante durante El Niño. La letteratura ha ampiamente documentato che la fase calda di ENSO tende a indebolire il vortice polare stratosferico attraverso modificazioni della propagazione delle onde planetarie. Taguchi e Hartmann, Manzini et al., Calvo et al. e successivamente Garfinkel e collaboratori hanno mostrato che El Niño può favorire un aumento della propagazione verticale delle onde di Rossby, in particolare della componente con numero d’onda zonale 1, verso la stratosfera polare. La dissipazione di queste onde esercita una decelerazione sui venti occidentali e contribuisce al riscaldamento dinamico delle alte latitudini.
Il punto essenziale, tuttavia, è che l’attività ondulatoria associata a El Niño non deve necessariamente produrre un’inversione del vento estesa uniformemente su tutte le latitudini. Come Song e Son mostrano nelle analisi successive, gli SSW di El Niño tendono ad avere un’inversione mediamente più confinata verso il Polo rispetto agli eventi di La Niña. Questo rende gli episodi di El Niño particolarmente sensibili alla scelta tra 60°N e 65°N.
La Figura 3 può pertanto essere interpretata come l’espressione di una struttura meridionale della perturbazione. Durante alcuni eventi, la decelerazione è abbastanza intensa da produrre venti orientali nella regione vicina a 65°N, mentre a 60°N resta una piccolissima componente occidentale. Non significa che l’evento sia assente a 60°N, ma che l’inversione vera e propria non si è estesa abbastanza verso sud da soddisfare la definizione.
Da questo punto di vista, il concetto di “problema di soglia” utilizzato dagli autori assume un significato preciso. Se U60 utilizzasse una soglia leggermente diversa, per esempio consentendo di classificare come SSW eventi nei quali il vento raggiunge pochi metri al secondo positivi, buona parte delle differenze con U65 scomparirebbe. Song e Son mostrano infatti che le statistiche relative agli inverni di El Niño diventerebbero molto più simili. Questo suggerisce che alcuni episodi classificati formalmente come minor warmings secondo un criterio possono risultare major warmings secondo un altro semplicemente a causa della posizione del punto diagnostico.
Il risultato è coerente con le conclusioni più generali di Butler et al., secondo cui non esiste una definizione singola capace di rappresentare perfettamente ogni possibile SSW. Le definizioni standardizzate sono estremamente utili per il confronto quantitativo tra climatologie, ma non devono essere confuse con confini fisici assoluti. Il passaggio da un major warming a un minor warming non rappresenta necessariamente una discontinuità dinamica reale; può essere, in alcuni casi, il risultato dell’applicazione di una soglia convenzionale a un’evoluzione atmosferica continua.
La Figura 3 ha inoltre un’importante implicazione per la statistica ENSO–SSW. Nella Figura 2 la definizione U65 identifica quattro eventi di El Niño in più rispetto a U60. La Figura 3 mostra esattamente da dove provengono questi eventi supplementari: non si tratta di perturbazioni completamente assenti nella classificazione U60 dal punto di vista fisico, bensì di episodi nei quali il vento a 60°N arriva vicinissimo all’inversione senza oltrepassare la soglia. Il semplice spostamento a 65°N consente invece di riconoscerli formalmente.
Lo stesso comportamento viene riscontrato dagli autori anche durante gli inverni ENSO neutrali, sebbene i casi non siano mostrati nella figura. U65 identifica infatti un numero significativamente maggiore di eventi neutrali rispetto a U60. Questo aumento del denominatore climatologico degli eventi neutrali è uno dei motivi principali per cui la differenza tra La Niña e neutralità diminuisce passando da U60 a U65. La Niña non acquisisce molti nuovi SSW con il cambiamento di latitudine, mentre El Niño e neutralità sì. La relazione statistica cambia quindi senza che cambi necessariamente la fisica degli eventi di La Niña.
La ragione è che gli SSW di La Niña mostrano in media un’inversione più estesa verso le medie latitudini. Nelle analisi successive Song e Son trovano che la latitudine più meridionale raggiunta dall’inversione del vento durante gli eventi La Niña è vicina a 46°N, mentre durante El Niño si colloca mediamente intorno a 53,5°N. Ciò significa che, quando un SSW riesce a svilupparsi durante La Niña, la perturbazione tende a coinvolgere un’area meridionalmente più ampia del vortice.
Questa differenza appare coerente con lo stato medio della stratosfera nelle due fasi ENSO. Durante El Niño il vortice è generalmente più debole già prima dell’evento. Un forcing ondulatorio moderato, soprattutto concentrato alle alte latitudini, può quindi essere sufficiente a portare il vento all’inversione nella parte più interna del vortice senza necessariamente estendere la perturbazione molto più a sud. Durante La Niña, invece, il vortice di fondo è mediamente più forte. Per produrre un major SSW è richiesto un episodio di forcing ondulatorio particolarmente intenso, capace di decelerare una regione molto più ampia della circolazione polare.
Questa interpretazione viene supportata dagli studi sulla relazione fra attività ondulatoria e forza del vortice. Polvani e Waugh hanno mostrato che gli impulsi di flusso di calore eddy nella bassa stratosfera costituiscono importanti precursori delle variazioni della circolazione polare. L’aumento della propagazione verticale delle onde precede frequentemente il rapido indebolimento del vortice, perché il deposito di momento associato all’attività ondulatoria rallenta la corrente occidentale. Non è quindi sufficiente conoscere lo stato medio del vortice: bisogna anche considerare l’intensità, la latitudine e la durata dell’impulso ondulatorio immediatamente precedente l’evento.
Gli studi di Garfinkel et al. hanno inoltre mostrato che le diverse fasi ENSO possono modificare in maniera non simmetrica le componenti delle onde planetarie. Durante El Niño viene generalmente favorita una maggiore attività del numero d’onda zonale 1 alle alte latitudini, mentre durante La Niña può risultare relativamente più importante anche la componente con numero d’onda 2 a latitudini inferiori. Taguchi e Hartmann avevano ottenuto risultati qualitativamente analoghi nelle loro simulazioni con SST prescritte: il forcing di tipo El Niño amplificava soprattutto il numero d’onda 1 intorno a 65°N, mentre quello di tipo La Niña produceva una maggiore risposta del numero d’onda 2 più a sud.
La diversa struttura ondulatoria fornisce quindi una spiegazione dinamica alla geometria degli eventi rappresentata indirettamente nella Figura 3. Se il forcing si concentra maggiormente alle alte latitudini, l’inversione può rimanere confinata alla parte più polare della circolazione. Se invece l’attività ondulatoria è forte e collocata più a sud, la decelerazione può estendersi verso latitudini inferiori. La scelta tra 60° e 65°N diventa pertanto particolarmente importante nel primo caso ma molto meno nel secondo.
La figura offre anche una lezione più generale sull’interpretazione dei major SSW. È facile considerare l’inversione del vento come una distinzione fisica assoluta, ma l’evoluzione atmosferica mostrata da Song e Son dimostra che la realtà è più continua. Un vento di 0,02 metri al secondo a 60°N rappresenta una circolazione occidentale solo in senso formale; dal punto di vista dinamico, il vortice è praticamente arrivato alla completa cessazione del flusso occidentale. Definire tale episodio “non major” mentre un vento di pochi decimi negativo sarebbe “major” è una scelta necessaria per la climatologia, ma non deve far dimenticare la quasi identità fisica delle due situazioni.
Questo problema assume particolare importanza quando si confrontano modelli climatici e osservazioni. Un modello potrebbe simulare una perturbazione del vortice corretta in termini di struttura, intensità e attività ondulatoria, ma mancare la soglia dello zero di pochi metri al secondo a 60°N. Una valutazione basata esclusivamente sul numero dei major SSW potrebbe quindi giudicare negativamente la simulazione anche quando la dinamica dell’evento è realisticamente rappresentata. È per questa ragione che Butler et al. hanno raccomandato di utilizzare definizioni standardizzate per i confronti climatologici, accompagnandole però con diagnostiche aggiuntive capaci di descrivere le caratteristiche fisiche degli eventi.
La Figura 3 evidenzia anche perché la differenza tra frequenza di SSW e forza media del vortice debba essere interpretata con cautela. Un El Niño può produrre un vortice stagionalmente più debole, ma questo non garantisce che tutti gli episodi di forte decelerazione attraversino la soglia a 60°N. Lo stato medio e la classificazione degli estremi sono due proprietà differenti della distribuzione. Un inverno può possedere un vortice mediamente debole e numerosi episodi vicini alla soglia senza che tutti vengano classificati come major SSW.
In termini climatologici, questa osservazione è fondamentale perché Song e Son stanno cercando di stabilire se El Niño e La Niña alterino la probabilità degli SSW. La risposta dipende inevitabilmente da cosa viene considerato un SSW. Se gli eventi di El Niño tendono a produrre inversioni più polari e relativamente strette, una definizione collocata a 60°N ne perderà alcuni. Spostando la diagnostica a 65°N, tali eventi entrano nel campione e la frequenza di El Niño aumenta sensibilmente. Se gli eventi di La Niña sono invece caratterizzati da un’inversione molto ampia, il loro numero cambia poco. La teleconnessione apparente cambia quindi perché cambia il modo in cui il campione osservativo intercetta la struttura spaziale delle perturbazioni.
La Figura 3 rappresenta pertanto un ponte essenziale tra la statistica mostrata nella Figura 2 e la spiegazione dinamica sviluppata nelle figure successive. La Figura 2 dimostra che U60 e U65 producono relazioni ENSO–SSW differenti; la Figura 3 mostra che la causa immediata consiste nella presenza di eventi vicini alla soglia, con inversione a 65°N ma non a 60°N. Le successive analisi del flusso di calore eddy e dell’estensione latitudinale dell’inversione spiegano invece perché questi eventi abbiano una struttura diversa durante El Niño e La Niña.
Nel quadro complessivo dello studio emerge quindi un messaggio metodologico e fisico molto forte. Le definizioni degli SSW non sono semplicemente etichette intercambiabili. Ogni criterio campiona una particolare componente della perturbazione del vortice e può diventare più o meno sensibile a una determinata fase ENSO in funzione della geometria dell’evento. Un piccolo spostamento del punto diagnostico può trasformare una forte decelerazione quasi completa in un major warming formalmente riconosciuto, modificando di conseguenza le statistiche climatologiche.
La Figura 3 mostra dunque in maniera particolarmente efficace come un’apparente differenza statistica possa nascere dall’interazione tra una soglia convenzionale e una reale struttura spaziale dell’atmosfera. Gli eventi supplementari riconosciuti da U65 durante El Niño non sono riscaldamenti completamente assenti secondo U60: sono perturbazioni nelle quali il vento a 60°N viene quasi completamente annullato, mentre l’inversione effettiva rimane confinata poco più a nord. Questa caratteristica dimostra che la latitudine dell’inversione del vento è una proprietà dinamicamente importante degli SSW e non un dettaglio secondario.
In definitiva, la Figura 3 rafforza una delle conclusioni più profonde di Song e Son: la relazione ENSO–SSW deve essere interpretata considerando non soltanto quante volte il vortice supera una soglia, ma anche dove, con quale estensione latitudinale e attraverso quale struttura ondulatoria avviene la perturbazione. El Niño favorisce frequentemente un vortice già indebolito e perturbazioni che possono raggiungere l’inversione prima alle alte latitudini; La Niña tende invece a mantenere un vortice più forte, ma gli SSW che riescono a svilupparsi sono spesso associati a un forcing sufficientemente intenso da produrre un’inversione più ampia. È questa differenza fisica, combinata con la rigidità delle soglie diagnostiche, a spiegare perché due definizioni separate da soli cinque gradi di latitudine possano restituire statistiche ENSO–SSW sostanzialmente differenti.
Figura 4 – Evoluzione del vortice polare e del forcing delle onde planetarie negli SSW associati a El Niño e La Niña
La Figura 4 dello studio di Song e Son rappresenta uno dei passaggi più importanti per comprendere fisicamente perché gli eventi di riscaldamento stratosferico improvviso associati a El Niño e quelli associati a La Niña possano presentare caratteristiche differenti, nonostante entrambi siano in grado di determinare una profonda perturbazione del vortice polare. La figura supera infatti la semplice analisi statistica della frequenza degli SSW e ricostruisce l’evoluzione temporale e latitudinale della circolazione nelle settimane che precedono e seguono l’inizio dell’evento. Da un lato viene analizzato il vento zonale medio zonale a 10 hPa, una delle grandezze più rappresentative dell’intensità del vortice polare stratosferico; dall’altro viene considerato il flusso di calore eddy a 100 hPa, utilizzato come indicatore dell’attività delle onde planetarie che si propaga verticalmente dalla troposfera verso la stratosfera. Il confronto permette quindi di collegare direttamente lo stato del vortice al forcing ondulatorio che precede il suo indebolimento.
L’asse temporale della figura è costruito rispetto alla data di insorgenza degli SSW identificati mediante la definizione U65. Il giorno zero corrisponde all’inversione del vento a 65°N e 10 hPa; i valori negativi rappresentano i giorni precedenti l’evento e quelli positivi i giorni successivi. Questa rappresentazione composita consente di seguire l’evoluzione media del sistema per circa quaranta giorni prima dell’SSW e per dieci giorni dopo il suo inizio. La distinzione temporale è essenziale, perché un major SSW non deve essere interpretato come un fenomeno istantaneo: il collasso del vortice costituisce generalmente il risultato finale di una sequenza di interazioni fra onde planetarie e circolazione media che può svilupparsi per diverse settimane.
I pannelli di sinistra mostrano il vento zonale a 10 hPa. Le linee rosse identificano la posizione nella quale il vento raggiunge lo zero e delimitano quindi la regione nella quale la circolazione climatologicamente occidentale è passata a orientale. Le due linee orizzontali permettono inoltre di confrontare direttamente le latitudini di 60°N e 65°N, cruciali per le definizioni U60 e U65. Le regioni ombreggiate indicano le anomalie statisticamente differenti dalla climatologia di lungo periodo al livello di confidenza del 95%. La colonna di destra mostra invece il flusso di calore eddy a 100 hPa. In questo contesto tale quantità viene impiegata come diagnostica della propagazione verticale delle onde planetarie: valori positivi e intensi alle medio-alte latitudini sono generalmente associati a una maggiore attività ondulatoria diretta verso la stratosfera e quindi a una maggiore capacità delle onde di interagire con il vortice polare.
L’utilizzo del flusso di calore eddy come indicatore del forcing stratosferico è ampiamente consolidato nella letteratura. La propagazione verticale delle onde planetarie costituisce infatti uno dei meccanismi fondamentali attraverso cui la troposfera può modificare il vortice polare. Quando le onde raggiungono la stratosfera, la loro dissipazione e il loro breaking producono una convergenza del flusso di attività ondulatoria e un trasferimento di momento che tende a decelerare i venti occidentali. Gli studi sulla dinamica onda–flusso medio hanno mostrato che le fasi di forte propagazione verso l’alto sono strettamente associate agli episodi di indebolimento del vortice e possono precedere gli eventi estremi della stratosfera. Scott e Polvani, mediante esperimenti idealizzati, hanno inoltre evidenziato che le forti decelerazioni del vortice sono strettamente collegate alla dissipazione delle onde e che la quantità di attività ondulatoria che entra nella stratosfera può continuare ad aumentare fino alle fasi avanzate della perturbazione.
Nel pannello relativo agli SSW di El Niño emerge innanzitutto un vortice polare già relativamente debole molto prima del giorno zero. Nelle settimane antecedenti l’evento, soprattutto nella fascia delle medio-alte latitudini, i venti occidentali risultano inferiori rispetto a quelli che caratterizzano gli SSW verificatisi durante La Niña. Il confronto diretto del pannello delle differenze conferma questa caratteristica: tra circa trenta e dieci giorni prima dell’evento compare una vasta regione nella quale il vento durante El Niño è sensibilmente più debole rispetto a La Niña, con differenze statisticamente significative in una parte considerevole della stratosfera polare. Questo rappresenta una forma evidente di precondizionamento del vortice.
Il concetto di precondizionamento è essenziale per interpretare correttamente la figura. Un SSW non dipende soltanto dall’ampiezza dell’impulso ondulatorio immediatamente precedente l’inversione del vento, ma anche dalla forza del vortice sul quale tale impulso agisce. Un vortice già indebolito necessita di una perturbazione minore per arrivare all’inversione completa; un vortice molto intenso richiede invece un forcing più forte. È quindi possibile che due SSW raggiungano formalmente la stessa soglia finale pur essendo preceduti da quantità differenti di attività ondulatoria. La Figura 4 mostra esattamente questa differenza tra El Niño e La Niña.
Durante El Niño, l’attività ondulatoria su scala planetaria risulta già relativamente intensa diverse settimane prima dell’SSW. Nel periodo compreso approssimativamente tra quaranta e venti giorni prima dell’evento, Song e Son riscontrano una maggiore attività ondulatoria rispetto agli SSW di La Niña. Questa maggiore propagazione pregressa contribuisce a indebolire progressivamente il vortice, creando un ambiente stratosferico più vulnerabile. Il risultato è coerente con Taguchi e Hartmann, i quali, utilizzando il Whole Atmosphere Community Climate Model, mostrarono che condizioni oceaniche di tipo El Niño aumentano la probabilità degli SSW, producono un vortice mediamente più caldo e debole e intensificano soprattutto il numero d’onda zonale 1 alle alte latitudini. Nel loro modello, l’aumento del wave-1 modifica anche la distribuzione degli episodi di forte flusso di calore diretto verso il Polo nella bassa stratosfera, favorendo gli estremi in grado di perturbare il vortice.
La situazione cambia avvicinandosi all’insorgenza dell’SSW. Nei quindici giorni circa che precedono il giorno zero, il forcing ondulatorio massimo associato agli eventi di El Niño risulta in realtà meno intenso di quello osservato negli SSW di La Niña. Questa caratteristica può sembrare inizialmente paradossale: El Niño è generalmente associato a una maggiore attività ondulatoria stagionale, eppure il picco immediatamente precedente al major warming può essere più debole. La contraddizione scompare se si considera lo stato iniziale del vortice. Poiché durante El Niño il vortice è già stato progressivamente indebolito dall’attività ondulatoria precedente, non è necessario un impulso eccezionalmente intenso per provocare l’inversione finale dei venti.
Durante La Niña, al contrario, il quadro iniziale è caratterizzato da venti occidentali decisamente più forti. Il pannello relativo al vento zonale mostra una circolazione stratosferica robusta nelle settimane che precedono l’SSW, coerentemente con la risposta climatologica del vortice polare alle condizioni La Niña. La fase fredda di ENSO tende infatti a essere associata, nella media stagionale, a una stratosfera polare più fredda e a un vortice più intenso. Garfinkel e collaboratori hanno sottolineato proprio l’apparente contrasto tra questa risposta stagionale e la possibilità che gli SSW si verifichino comunque con frequenza elevata durante alcuni inverni di La Niña. Il loro lavoro mostra come lo stato medio stagionale del vortice e gli estremi subseasonal non siano necessariamente controllati nello stesso modo, poiché la comparsa di un SSW dipende fortemente dalle anomalie troposferiche transitorie capaci di produrre episodi estremi di propagazione ondulatoria.
La Figura 4 fornisce una soluzione dinamica molto efficace a questo apparente paradosso. Durante La Niña il vortice parte da condizioni più forti, ma gli SSW che riescono effettivamente a svilupparsi sono preceduti da un impulso di attività ondulatoria particolarmente intenso. Nel pannello del flusso di calore relativo a La Niña emerge infatti una forte concentrazione dell’attività nelle due settimane circa precedenti l’evento, con valori maggiori rispetto al composito El Niño in alcune delle regioni cruciali per la decelerazione del vortice. Un vortice inizialmente robusto può quindi essere distrutto, ma per farlo è necessario un forcing più energico.
Questo risultato suggerisce due differenti percorsi dinamici verso lo stesso stato finale. Durante El Niño il vortice viene gradualmente predisposto all’indebolimento da una maggiore attività ondulatoria nelle settimane precedenti; l’impulso conclusivo può quindi essere relativamente moderato. Durante La Niña il precondizionamento è meno favorevole e la circolazione occidentale rimane più forte, ma occasionalmente si verificano episodi di forcing ondulatorio sufficientemente intensi da determinare comunque il collasso del vortice. Gli SSW di La Niña che superano questa barriera dinamica rappresentano pertanto eventi associati a un forcing finale particolarmente energico.
La differenza non riguarda soltanto l’intensità del forcing, ma anche la sua posizione latitudinale. Questo è uno degli aspetti più importanti della Figura 4. Negli eventi di El Niño, il massimo dell’attività ondulatoria si trova mediamente più vicino alle alte latitudini. Song e Son quantificano questa differenza mostrando che, considerando gli eventi utilizzati per l’analisi dell’estensione dell’inversione, il massimo integrato del flusso di calore si colloca intorno a 70,1°N durante gli SSW di El Niño. Negli eventi di La Niña, invece, il massimo si trova approssimativamente a 61,0°N.
Uno spostamento di quasi dieci gradi di latitudine nella posizione del forcing è dinamicamente rilevante. Se la maggior parte dell’attività ondulatoria viene depositata alle alte latitudini, la decelerazione tende a concentrarsi soprattutto nella parte interna del vortice. L’inversione dei venti può quindi essere intensa ma relativamente confinata verso il Polo. Se invece il forcing massimo agisce più a sud, la perturbazione della circolazione può interessare una fascia latitudinale molto più ampia, permettendo all’inversione del vento di propagarsi fino alle medie latitudini.
La struttura osservata nei pannelli del vento zonale risulta perfettamente coerente con questa interpretazione. Negli SSW di El Niño l’inversione rimane mediamente più confinata alle alte latitudini, mentre durante La Niña la regione caratterizzata da venti orientali si estende sensibilmente verso sud. Gli autori mostrano infatti nelle analisi associate che la latitudine più meridionale raggiunta dall’inversione è mediamente vicina a 53,5°N durante El Niño ma arriva fino a circa 46°N durante La Niña. Questa differenza aiuta a spiegare in maniera diretta perché gli eventi La Niña vengano riconosciuti con facilità sia dalla definizione U60 sia dalla U65, mentre alcuni eventi El Niño soddisfino U65 senza raggiungere l’inversione completa a 60°N.
La relazione tra latitudine del forcing ondulatorio e latitudine dell’inversione non è tuttavia perfetta. Song e Son riportano una correlazione lineare relativamente debole, pari a circa 0,25, tra la posizione del massimo flusso di calore e la latitudine minima raggiunta dall’inversione. Questo risultato è importante perché impedisce di attribuire tutta la struttura dell’SSW a un unico parametro. La latitudine dell’attività ondulatoria costituisce uno dei fattori determinanti, ma il risultato finale dipende anche dall’intensità del vortice, dalla struttura verticale del vento, dalla durata dell’impulso, dalla fase delle onde, dal loro numero d’onda e dalle interazioni non lineari tra onde e flusso medio.
Il comportamento delle onde planetarie aiuta ulteriormente a comprendere la differenza. Taguchi e Hartmann hanno mostrato che la risposta stratosferica a un forcing SST di tipo El Niño è caratterizzata soprattutto dall’amplificazione del numero d’onda zonale 1 alle alte latitudini. Questa maggiore attività wave-1 contribuisce a indebolire il vortice e ad aumentare la probabilità dei major SSW. Li e Lau hanno successivamente mostrato, in un modello accoppiato con una rappresentazione stratosferica più completa, che ENSO modula gli eventi di vortice debole e forte attraverso cambiamenti nelle onde planetarie di numero d’onda 1 e 2; in particolare, gli eventi di vortice debole durante El Niño risultano preceduti dall’amplificazione del wave-1, mentre durante La Niña il contributo relativo del wave-2 diventa più importante.
Questa distinzione contribuisce a spiegare perché gli SSW non abbiano necessariamente la stessa geometria nelle diverse fasi ENSO. Il numero d’onda 1 tende a produrre una deformazione fortemente asimmetrica del vortice, spesso accompagnata da un grande spostamento rispetto al Polo, mentre il numero d’onda 2 può favorire una struttura più allungata e, in determinate condizioni, la divisione del vortice in due nuclei. Non esiste però una corrispondenza rigida tra numero d’onda e tipo di SSW: la morfologia finale dipende dalla combinazione delle onde, dalla loro fase e dalla struttura del vortice preesistente. Garfinkel et al. hanno infatti osservato che, pur emergendo alcune differenze nella struttura wave-2 durante La Niña, la preferenza statistica per eventi split o displacement non è sufficientemente robusta da spiegare da sola la frequenza degli SSW.
Un ulteriore aspetto importante della Figura 4 riguarda la relazione fra attività ondulatoria e stato della stratosfera. Sarebbe semplicistico interpretare il flusso di calore a 100 hPa come una forzante completamente indipendente dal vortice. Le onde provenienti dalla troposfera modificano il flusso stratosferico, ma il flusso stratosferico determina a sua volta le condizioni attraverso cui le onde possono propagarsi. Scott e Polvani hanno mostrato, mediante esperimenti idealizzati, che la quantità di attività ondulatoria che attraversa la tropopausa può essere influenzata dallo stato della stratosfera stessa. Quando la circolazione evolve verso venti orientali, la propagazione verticale può essere progressivamente ostacolata e il flusso verso l’alto può ridursi drasticamente. La relazione tra forcing e vortice deve quindi essere vista come un’interazione dinamica bidirezionale, non come una semplice sequenza unidirezionale.
Questo concetto è essenziale anche per comprendere le aree statisticamente significative mostrate nella figura. Le zone grigie indicano dove i compositi differiscono dalla climatologia di lungo periodo al 95%, ma l’assenza di ombreggiatura non implica necessariamente assenza di un segnale fisicamente interessante. Il numero degli SSW disponibili è relativamente ridotto e la variabilità evento per evento è elevata. Per esempio, la differenza nella latitudine centrale dell’attività ondulatoria tra El Niño e La Niña produce nel pannello delle differenze una struttura a dipolo intorno a 70°N prima dell’evento, ma gli stessi autori sottolineano che tale differenza non raggiunge ovunque la significatività statistica. Deve quindi essere interpretata come un elemento dinamicamente coerente con il resto dell’analisi, più che come una prova isolata.
La Figura 4 rafforza inoltre la necessità di distinguere il forcing ondulatorio stagionale da quello che precede immediatamente un SSW. Nella media invernale El Niño presenta generalmente maggiore propagazione delle onde verso la stratosfera rispetto a La Niña e un vortice più debole. Studi successivi hanno continuato a mostrare che una maggiore quantità di flusso ondulatorio entra nella stratosfera alle medio-alte latitudini durante El Niño e che la convergenza dell’attività ondulatoria contribuisce alla decelerazione dei venti occidentali e all’indebolimento del vortice. Tuttavia, ciò non implica che ogni singolo SSW di El Niño debba essere preceduto dall’impulso più forte. Se il vortice è già precondizionato, il forcing necessario a raggiungere il collasso può essere minore di quello necessario durante una La Niña.
Da questo punto di vista, gli SSW di La Niña possono essere considerati una popolazione particolarmente selezionata. La maggior parte degli inverni La Niña presenta condizioni medie favorevoli a un vortice relativamente forte; soltanto gli episodi nei quali la variabilità troposferica produce un impulso ondulatorio sufficientemente intenso riescono a superare tale stato di fondo e generare un major warming. Garfinkel et al. hanno mostrato come le anomalie troposferiche del Pacifico nordoccidentale associate ai precursori degli SSW non coincidano perfettamente con il centro principale delle teleconnessioni ENSO. Ciò permette alla variabilità interna dell’atmosfera di produrre occasionalmente configurazioni favorevoli agli SSW anche durante La Niña, nonostante la risposta stagionale del vortice sia mediamente di segno opposto.
Questa interpretazione aiuta a risolvere l’apparente contraddizione tra la Figura 1 e la Figura 4. La Figura 1 mostra che La Niña è mediamente associata a un vortice più forte, ma anche a una notevole variabilità subseasonal in alcune fasce latitudinali. La Figura 4 dimostra come tale variabilità possa concretamente produrre un SSW: occorre un impulso ondulatorio relativamente forte, soprattutto nelle settimane immediatamente precedenti l’evento. La climatologia stagionale e gli estremi subseasonal non sono quindi in conflitto; rappresentano semplicemente scale temporali differenti della stessa dinamica.
Il collegamento con la Figura 3 diventa altrettanto evidente. Nella Figura 3 alcuni SSW di El Niño vengono identificati a 65°N ma non a 60°N perché il vento alla latitudine più meridionale si avvicina molto allo zero senza invertirsi. La Figura 4 fornisce la spiegazione dinamica di tale comportamento: durante El Niño il forcing tende a concentrarsi maggiormente verso le alte latitudini e agisce su un vortice già indebolito, producendo frequentemente un’inversione polare relativamente stretta. Durante La Niña il forcing immediatamente antecedente è più intenso e collocato più a sud, producendo una regione di venti orientali più ampia. La sensibilità delle statistiche U60 e U65 non è quindi un semplice artefatto matematico, ma il riflesso di differenze fisiche nella struttura degli eventi.
Questa distinzione possiede anche implicazioni per la previsione degli SSW. La sola conoscenza dello stato ENSO non è sufficiente a prevedere il verificarsi di un evento. El Niño fornisce informazioni sul precondizionamento stagionale e sulla probabilità relativa di un vortice più debole, ma occorre comunque osservare l’evoluzione dell’attività ondulatoria nelle settimane precedenti. Durante La Niña, l’identificazione di un forte impulso di flusso di calore nella bassa stratosfera può risultare particolarmente importante, proprio perché un vortice inizialmente robusto richiede un forcing maggiore per essere destabilizzato. La combinazione tra stato del vortice e attività ondulatoria offre quindi più informazione rispetto a ciascun indicatore considerato separatamente.
La letteratura sulla previsione stratosferica ha da tempo riconosciuto il valore del flusso di attività ondulatoria come precursore degli eventi di vortice debole. Li e Lau, per esempio, mostrano che l’aumento della propagazione delle onde planetarie precede gli eventi di vortice debole e conduce a una maggiore convergenza del flusso ondulatorio nella stratosfera, con conseguente decelerazione della circolazione zonale. La Figura 4 di Song e Son aggiunge però un elemento particolarmente importante: non conta soltanto quanto forcing ondulatorio raggiunge la stratosfera, ma anche quando esso arriva, a quale latitudine agisce e su quale stato di fondo del vortice viene applicato.
Nel complesso, la figura mostra quindi che due eventi classificati entrambi come U65 SSW possono essere il risultato di percorsi dinamici significativamente differenti. Nel caso di El Niño, una maggiore attività ondulatoria nelle settimane precedenti contribuisce a predisporre un vortice relativamente debole; il forcing finale può essere moderato e concentrato più vicino al Polo, producendo una regione di inversione relativamente ristretta. Durante La Niña, il vortice resta mediamente più robusto fino a fasi più vicine all’evento e necessita quindi di una forte pulsazione ondulatoria immediatamente antecedente, spesso centrata a latitudini inferiori, capace di estendere maggiormente verso sud la decelerazione e l’inversione dei venti.
La Figura 4 permette pertanto di comprendere perché la relazione ENSO–SSW non possa essere interpretata esclusivamente contando gli eventi. El Niño e La Niña influenzano contemporaneamente lo stato medio del vortice, l’intensità temporale delle onde planetarie, la loro struttura latitudinale e la quantità di forcing necessaria a produrre l’inversione del vento. Gli SSW di El Niño sono inseriti in un ambiente stratosferico già più favorevole all’indebolimento; quelli di La Niña devono invece superare una barriera dinamica maggiore e, quando riescono a farlo, tendono a essere associati a un forcing più intenso e spazialmente più esteso.
In definitiva, il contributo più significativo della Figura 4 consiste nel mostrare che la stessa soglia diagnostica di un major SSW può essere raggiunta attraverso differenti combinazioni fra precondizionamento del vortice e forcing delle onde planetarie. El Niño favorisce un vortice debole prima dell’evento e una risposta maggiormente concentrata alle alte latitudini, mentre La Niña mantiene un vortice inizialmente più forte ma può produrre SSW quando si verificano impulsi ondulatori sufficientemente intensi e più meridionali. Questa diversa organizzazione dinamica spiega la maggiore estensione latitudinale dell’inversione durante La Niña, la sensibilità degli eventi El Niño alla scelta fra U60 e U65 e, più in generale, perché la relazione ENSO–SSW dipenda dal modo in cui viene definita e osservata la perturbazione del vortice polare.
Figura 5 – Struttura latitudinale delle onde planetarie e differenze nel forcing stratosferico tra gli SSW di El Niño e La Niña
La Figura 5 dello studio di Song e Son costituisce uno dei passaggi dinamicamente più significativi dell’intera analisi della relazione tra El Niño–Southern Oscillation e riscaldamenti stratosferici improvvisi, perché consente di comprendere non soltanto quanto intensa sia l’attività ondulatoria che precede un SSW, ma soprattutto come questa attività sia distribuita in latitudine e quale contributo provenga dalle principali componenti delle onde planetarie. Dopo aver mostrato nella Figura 4 che gli eventi associati a El Niño e La Niña si sviluppano su vortici di fondo differenti e sono preceduti da una diversa evoluzione del flusso di calore eddy, la Figura 5 concentra l’attenzione sui quindici giorni immediatamente precedenti l’insorgenza degli eventi identificati mediante la definizione U65. Viene quindi analizzato un intervallo temporale particolarmente importante, nel quale il forcing troposferico–stratosferico raggiunge generalmente un’intensità sufficiente a determinare la rapida decelerazione finale del vortice. La quantità rappresentata è il flusso di calore eddy a 100 hPa, utilizzato come indicatore della propagazione verticale dell’attività ondulatoria, e il suo profilo latitudinale viene scomposto nei contributi del numero d’onda zonale 1 e del numero d’onda zonale 2. La figura mostra così che gli SSW verificatisi durante El Niño e quelli verificatisi durante La Niña possono raggiungere la stessa condizione diagnostica finale attraverso configurazioni ondulatorie sensibilmente differenti.
L’importanza del flusso di calore eddy nella dinamica stratosferica deriva dal fatto che le grandi onde di Rossby generate e modificate nella troposfera possono propagarsi verticalmente verso la stratosfera invernale quando la struttura del vento zonale offre condizioni favorevoli. La componente meridionale del vento perturbato associata alle anomalie termiche costituisce una delle diagnostiche tradizionalmente utilizzate per quantificare questa propagazione. Valori elevati del flusso di calore diretto verso il Polo nella bassa stratosfera sono generalmente associati a una forte propagazione verticale delle onde e precedono frequentemente fasi di decelerazione del vortice polare. Il meccanismo è quello classico dell’interazione fra onde e flusso medio: quando le onde planetarie raggiungono la stratosfera, vengono rifratte, dissipate o rompono, trasferendo quantità di moto alla circolazione media e opponendosi ai venti occidentali del vortice. Se il forcing è sufficientemente forte e persistente, il vortice può essere profondamente deformato, spostato o diviso, fino a raggiungere l’inversione del vento richiesta per classificare un major SSW. Questa interpretazione costituisce il fondamento fisico dell’uso del flusso di calore come precursore stratosferico e consente di leggere la Figura 5 non semplicemente come un profilo statistico, ma come una rappresentazione della distribuzione geografica del forcing responsabile della destabilizzazione del vortice.
Nel pannello relativo agli SSW di El Niño emerge una struttura molto chiara. Il flusso di calore totale aumenta procedendo dalle medie latitudini verso la fascia polare e raggiunge il proprio massimo approssimativamente tra 60° e 70°N. Il contributo del numero d’onda zonale 1 segue molto da vicino quello totale e rappresenta quindi la componente dominante dell’attività ondulatoria associata a questi eventi. Il numero d’onda 2 presenta invece un’ampiezza sensibilmente inferiore e un massimo collocato più a sud. Questo comportamento dimostra che, nei quindici giorni immediatamente precedenti gli SSW verificatisi durante El Niño, la destabilizzazione della stratosfera è principalmente legata a una forte amplificazione della componente planetaria di numero d’onda 1, concentrata alle alte latitudini. Song e Son concludono infatti esplicitamente che gli SSW degli inverni El Niño sono largamente guidati dalle onde con numero d’onda zonale 1, mentre quelli di La Niña ricevono contributi significativi sia dal numero d’onda 1 sia dal numero d’onda 2.
Questa caratteristica è pienamente coerente con risultati ottenuti in precedenza attraverso esperimenti modellistici. Taguchi e Hartmann, utilizzando il Whole Atmosphere Community Climate Model con anomalie della temperatura superficiale del mare rappresentative di El Niño e La Niña, trovarono che le condizioni di El Niño favorivano un vortice polare mediamente più caldo e debole e aumentavano la probabilità degli SSW. Il segnale dinamico fondamentale consisteva proprio nell’intensificazione del numero d’onda zonale 1 nell’alta troposfera e nella stratosfera delle alte latitudini, accompagnata da un indebolimento relativo del numero d’onda 2. La maggiore attività del wave-1 modificava anche la distribuzione degli episodi estremi di flusso di calore verso il Polo nella bassa stratosfera, aumentando la probabilità di forti impulsi ondulatori capaci di destabilizzare il vortice. Le simulazioni indicavano inoltre una frequenza degli SSW circa doppia nelle condizioni di El Niño rispetto a quelle di La Niña, sebbene gli stessi autori sottolineassero i limiti della variabilità stratosferica simulata dal modello.
La dominanza del numero d’onda 1 durante El Niño possiede anche un preciso significato geometrico. Il vortice polare stratosferico non è una struttura perfettamente circolare e immobile; le onde planetarie ne modificano continuamente la posizione e la forma. Una forte componente di numero d’onda 1 tende a produrre una grande asimmetria emisferica, spostando il centro del vortice rispetto al Polo e concentrando la perturbazione in un settore predominante. Sebbene non esista una corrispondenza automatica tra wave-1 e SSW di tipo displacement, questa componente è tradizionalmente associata a configurazioni in cui il vortice viene fortemente dislocato. Quando il forcing di wave-1 è particolarmente concentrato alle alte latitudini, la decelerazione può risultare molto intensa nella regione interna del vortice ma relativamente meno estesa verso le medie latitudini. È precisamente questo comportamento che Song e Son collegano alla minore estensione meridionale dell’inversione del vento osservata negli SSW di El Niño.
La struttura del pannello di La Niña è significativamente differente. Il flusso di calore totale raggiunge valori maggiori e il massimo è spostato verso latitudini più basse, approssimativamente intorno a 60°N. Il numero d’onda zonale 1 rimane importante, ma non domina più in maniera così netta il forcing complessivo. Anche il numero d’onda 2 raggiunge valori elevati e contribuisce in misura sostanziale alla propagazione ondulatoria che precede il major warming. Questa combinazione produce un forcing non soltanto più intenso nel breve periodo immediatamente precedente l’evento, ma anche distribuito più meridionalmente rispetto al caso El Niño. Song e Son collegano direttamente questa struttura a una più ampia inversione dei venti durante La Niña, che negli eventi analizzati può estendersi mediamente da circa 46°N fino al Polo, rispetto a un limite medio vicino a 54°N durante El Niño.
Questa differenza deve essere interpretata insieme allo stato di fondo del vortice. Durante El Niño, le settimane precedenti l’SSW sono generalmente caratterizzate da un vortice già relativamente debole a causa della maggiore attività ondulatoria stagionale. In una simile situazione, un forcing moderato concentrato alle alte latitudini può essere sufficiente per portare la circolazione all’inversione. Durante La Niña, invece, il vortice medio stagionale tende a essere più forte e più freddo. Gli SSW che riescono comunque a verificarsi devono quindi essere preceduti da episodi di forcing abbastanza intensi da superare una barriera dinamica inizialmente maggiore. La Figura 5 suggerisce che questi episodi selezionati di La Niña siano precisamente caratterizzati da un forte impulso di wave-1 e wave-2, centrato più a sud. Non bisogna dunque concludere che La Niña produca in generale una maggiore attività ondulatoria rispetto a El Niño; al contrario, la climatologia stagionale tende a mostrare un forcing più forte durante El Niño. Gli eventi La Niña che culminano in un SSW rappresentano però una popolazione particolare nella quale la variabilità interna dell’atmosfera genera impulsi eccezionalmente efficaci immediatamente prima del collasso del vortice.
Il pannello delle differenze, che rappresenta El Niño meno La Niña, chiarisce molto bene questa asimmetria. Per il flusso totale compaiono valori positivi alle alte latitudini e negativi più a sud. Ciò significa che, rispetto agli SSW di La Niña, quelli di El Niño presentano un forcing relativamente maggiore nella regione polare più settentrionale ma più debole nella fascia vicina a 55°–65°N. Il numero d’onda 1 mostra una marcata anomalia positiva intorno a 70°–75°N, indicando la maggiore importanza della componente wave-1 alle alte latitudini durante El Niño. Il numero d’onda 2 mostra invece un segnale nettamente negativo nella fascia delle medio-alte latitudini, segnalando che questa componente è considerevolmente più forte durante gli SSW di La Niña. È quindi soprattutto la diversa distribuzione del wave-2 a rendere il forcing La Niña più ampio e spostato verso sud.
Garfinkel e collaboratori avevano già individuato una simile differenza nella struttura delle onde planetarie associate alle due fasi ENSO. Le loro analisi indicavano un rafforzamento del numero d’onda 1 alle alte latitudini durante El Niño e un contributo relativamente maggiore del numero d’onda 2 durante La Niña. Allo stesso tempo, il loro lavoro evidenziava un punto cruciale: la risposta stagionale media del vortice polare a ENSO è soltanto debolmente collegata alla frequenza relativa degli SSW. La regione del Pacifico settentrionale maggiormente associata ai precursori troposferici dei major warmings non coincide perfettamente con quella nella quale le teleconnessioni medie di El Niño e La Niña raggiungono il massimo segnale. Di conseguenza, la variabilità troposferica transitoria può creare configurazioni estremamente favorevoli alla propagazione ondulatoria anche durante un inverno di La Niña, nonostante il vortice stagionale sia mediamente più robusto.
Questa considerazione è fondamentale per evitare una lettura eccessivamente deterministica della Figura 5. Il diagramma non implica che tutti gli inverni di El Niño siano dominati dal wave-1 né che ogni La Niña produca un forte wave-2 e un SSW. I profili rappresentano compositi costruiti selezionando esclusivamente gli inverni nei quali un SSW U65 si è effettivamente verificato. La figura descrive quindi la struttura media delle condizioni che precedono gli eventi, non una proprietà inevitabile di ogni fase ENSO. Si tratta di una distinzione essenziale: ENSO modifica le probabilità e il background dinamico, mentre la realizzazione concreta di un SSW dipende dall’evoluzione subseasonal della troposfera e della stratosfera.
Il confronto fra le due fasi rende inoltre evidente quanto sia importante considerare simultaneamente l’intensità e la latitudine del forcing. Un’onda planetaria molto intensa non produce necessariamente la stessa risposta se il suo massimo è collocato a 55°N oppure a 70°N. La posizione determina dove viene maggiormente decelerata la circolazione zonale e quindi fino a quale latitudine l’inversione dei venti può estendersi. Song e Son quantificano questa differenza mostrando che, quando il flusso di calore viene integrato sul periodo che precede l’inversione, il massimo si colloca intorno a 70,1°N per gli eventi El Niño e vicino a 61,0°N per gli eventi La Niña. La relazione tra latitudine del forcing e limite meridionale dell’inversione non è però perfettamente lineare: il coefficiente di correlazione riportato dagli autori è modesto. Ciò indica che la posizione del forcing è soltanto uno dei fattori coinvolti e che la risposta finale dipende anche dall’intensità del vento di fondo, dalla struttura verticale del vortice, dalla durata dell’impulso e dall’interazione fra le diverse componenti ondulatorie.
È proprio questa interazione fra stato del vortice e struttura delle onde a spiegare il collegamento della Figura 5 con le Figure 2 e 3. Nella Figura 2 la frequenza degli SSW durante El Niño aumenta nettamente quando si passa dalla definizione U60 a U65, mentre durante La Niña cambia molto meno. La Figura 3 mostra che alcuni eventi El Niño producono un’inversione a 65°N ma non a 60°N, nonostante il vento alla latitudine più meridionale venga praticamente annullato. La Figura 5 fornisce la spiegazione dinamica di questa caratteristica: il forcing degli SSW El Niño è maggiormente concentrato nella regione polare, con una forte dominanza del numero d’onda 1, e tende quindi a produrre un’inversione latitudinalmente più stretta. Durante La Niña, il forcing più intenso e più meridionale, al quale partecipa in modo importante anche il wave-2, favorisce invece un’inversione che raggiunge più facilmente sia 65°N sia 60°N e può estendersi ancora più a sud.
La maggiore importanza del numero d’onda 2 negli eventi La Niña può inoltre contribuire a produrre una perturbazione più distribuita longitudinalmente e latitudinalmente. Il wave-2 presenta due grandi strutture ondulatorie attorno all’emisfero e può interagire con il vortice in modo differente rispetto alla dominante wave-1. Quando entrambe le componenti sono contemporaneamente forti, come suggerito dal pannello di La Niña, la circolazione polare può essere sottoposta a una deformazione particolarmente complessa e intensa. Questo aiuta a comprendere perché un vortice inizialmente più forte possa subire comunque un rapido collasso quando si realizza una configurazione ondulatoria sufficientemente favorevole.
La letteratura modellistica offre un supporto importante a questa interpretazione. Taguchi e Hartmann mostrarono che il forcing SST di tipo El Niño amplificava soprattutto il wave-1 intorno a 65°N, mentre le condizioni di La Niña favorivano relativamente maggiormente il wave-2 a latitudini più basse. I loro esperimenti indicarono inoltre che la modifica della distribuzione probabilistica degli episodi di forte flusso di calore nella bassa stratosfera era un passaggio fondamentale nel collegamento tra anomalie oceaniche tropicali e frequenza degli SSW. Song e Son estendono questa prospettiva mostrando che non è soltanto la probabilità degli impulsi ondulatori a essere importante, ma anche la loro struttura latitudinale immediatamente prima degli eventi.
Da questo punto di vista, la Figura 5 rappresenta anche una dimostrazione della non linearità della risposta atmosferica a ENSO. Una concezione puramente simmetrica porterebbe ad aspettarsi che El Niño e La Niña producano semplicemente anomalie opposte dello stesso pattern ondulatorio. I risultati mostrano invece che la risposta differisce anche nella composizione spettrale. El Niño intensifica in modo particolare il numero d’onda 1 alle alte latitudini, mentre gli SSW di La Niña ricevono un contributo più sostanziale dal numero d’onda 2 e da un forcing complessivamente più meridionale. La differenza non è quindi soltanto di segno o di ampiezza, ma anche di struttura.
Questa asimmetria può essere ricondotta alla natura stessa delle teleconnessioni ENSO. Le anomalie di temperatura superficiale del mare modificano la convezione tropicale e la divergenza dell’alta troposfera, alterando le sorgenti delle onde di Rossby. Poiché la distribuzione delle anomalie convettive durante El Niño e La Niña non è perfettamente speculare, anche la risposta delle onde extratropicali può essere non lineare. La successiva interazione con la climatologia delle onde stazionarie dell’emisfero settentrionale, con la depressione aleutinica, con il jet pacifico e con la topografia produce strutture differenti di wave-1 e wave-2. Una volta raggiunta la stratosfera, queste strutture vengono ulteriormente filtrate dallo stato del vortice, dando origine alla diversa distribuzione latitudinale visibile nella Figura 5.
Garfinkel et al. sottolineano inoltre che la regione troposferica del Pacifico settentrionale maggiormente efficace nel produrre precursori degli SSW è distinta dalla regione nella quale la teleconnessione ENSO stagionale possiede necessariamente il segnale più intenso. Nel record osservativo, tanto El Niño quanto La Niña possono aumentare la frequenza di anomalie estreme nella specifica regione precursore degli SSW, offrendo una possibile spiegazione del fatto che forti warmings possano svilupparsi durante entrambe le fasi nonostante la risposta stagionale media del vortice sia opposta. La Figura 5 di Song e Son aggiunge a questo quadro l’informazione che, una volta selezionati gli eventi, la modalità attraverso cui l’attività ondulatoria raggiunge e destabilizza il vortice differisce comunque significativamente tra le due fasi.
La figura possiede pertanto importanti implicazioni anche per l’interpretazione previsionale dell’ENSO. Sapere che un inverno è caratterizzato da El Niño non consente di dedurre automaticamente che si verificherà un SSW, così come la presenza di La Niña non permette di escluderlo. El Niño può predisporre la stratosfera mediante un vortice mediamente più debole e una maggiore attività wave-1 alle alte latitudini, ma il verificarsi dell’evento dipende ancora dalla sequenza temporale concreta del forcing. Durante La Niña il background è mediamente meno favorevole al collasso del vortice, ma un episodio eccezionalmente intenso di wave-1 e soprattutto wave-2 a latitudini relativamente basse può produrre comunque un major warming. La previsione subseasonal deve quindi considerare non soltanto ENSO, ma l’evoluzione corrente del flusso di calore, delle onde planetarie e dello stato del vortice.
Un altro elemento importante riguarda la relazione tra ampiezza del forcing e classificazione dell’SSW. Se un evento El Niño è dominato da un wave-1 settentrionale e produce un’inversione confinata oltre 60°–65°N, la probabilità che venga identificato cambia sensibilmente con la definizione adottata. Viceversa, il forcing più ampio degli eventi La Niña produce frequentemente un’inversione talmente estesa da essere riconosciuta da entrambi i criteri U60 e U65. La Figura 5 dimostra quindi che la sensibilità metodologica evidenziata nelle statistiche non è casuale, ma possiede una base dinamica reale. Le definizioni diagnostiche campionano porzioni differenti di una perturbazione la cui geometria dipende dalla struttura delle onde che l’hanno generata.
Nel complesso, la Figura 5 consente di reinterpretare l’intera relazione ENSO–SSW in termini di percorsi dinamici distinti. Durante El Niño, il vortice polare tende a essere precondizionato verso uno stato più debole e gli SSW sono prevalentemente associati a una forte componente di numero d’onda 1 concentrata alle alte latitudini. L’impulso necessario immediatamente prima dell’evento può essere relativamente moderato proprio perché la circolazione occidentale parte da condizioni già indebolite. La conseguente inversione tende però a essere più confinata verso il Polo. Durante La Niña, il vortice di fondo tende a essere più robusto e gli SSW che riescono a svilupparsi richiedono un forcing più intenso, collocato più a sud e caratterizzato da un contributo sostanziale sia del wave-1 sia del wave-2. Questa struttura favorisce un’inversione più ampia in latitudine.
È quindi soprattutto la diversa combinazione tra forza del vortice iniziale, latitudine del forcing e composizione in numeri d’onda a distinguere gli SSW delle due fasi ENSO. La Figura 5 rappresenta una prova particolarmente efficace di questo concetto perché mostra che non basta parlare genericamente di “maggiore attività ondulatoria”: occorre specificare quale onda domina, a quale latitudine raggiunge il massimo e su quale circolazione di fondo agisce. Song e Son mostrano così che l’influenza di ENSO sulla stratosfera non consiste semplicemente nell’aumentare o diminuire una quantità scalare di wave activity, ma nel riorganizzare la struttura spaziale e spettrale attraverso cui la troposfera comunica con il vortice polare.
In definitiva, la Figura 5 fornisce il collegamento fisico necessario per comprendere perché la relazione tra ENSO e frequenza degli SSW sia robusta per El Niño ma molto più sensibile alla definizione durante La Niña. Gli SSW El Niño sono principalmente sostenuti da un forcing wave-1 alle alte latitudini, coerente con un vortice già indebolito e con un’inversione relativamente ristretta; gli SSW La Niña sono invece associati a un forcing complessivamente più energico e più meridionale, nel quale wave-1 e wave-2 contribuiscono entrambi in modo importante, producendo un’inversione latitudinalmente più estesa. È questa differenza nella dinamica delle onde planetarie, e non una semplice opposizione tra fase calda e fase fredda del Pacifico tropicale, a consentire di comprendere pienamente perché due configurazioni ENSO opposte possano entrambe essere associate a grandi perturbazioni della stratosfera, ma attraverso percorsi fisici sostanzialmente differenti.
4. Test di sensibilità
L’analisi della sensibilità costituisce un passaggio fondamentale nello studio della relazione tra El Niño–Southern Oscillation e i riscaldamenti stratosferici improvvisi, poiché consente di stabilire fino a che punto le associazioni statistiche individuate dipendano dalle scelte metodologiche effettuate nella classificazione degli eventi ENSO, dalla rianalisi atmosferica utilizzata, dal dataset delle temperature superficiali oceaniche e, soprattutto, dalla definizione adottata per identificare un major Sudden Stratospheric Warming. Questo problema assume una particolare importanza nel caso della stratosfera invernale dell’emisfero settentrionale, dove il numero relativamente limitato degli eventi osservati rende inevitabilmente ampi gli intervalli di incertezza associati alle stime della frequenza degli SSW. Lo studio Revisiting the ENSO–SSW Relationship mostra precisamente come un legame apparentemente robusto possa cambiare in maniera non trascurabile quando vengono modificati criteri diagnostici relativamente piccoli. In particolare, utilizzando differenti indici ENSO e differenti dataset delle temperature superficiali del mare, la struttura generale della relazione rimane abbastanza stabile: gli inverni caratterizzati da El Niño tendono a presentare una frequenza maggiore di SSW rispetto agli inverni ENSO-neutrali, mentre il comportamento associato a La Niña risulta molto più dipendente dalla metodologia. La sensibilità relativamente modesta rispetto alla scelta dell’indice ENSO indica che il risultato fondamentale non deriva semplicemente dal modo in cui vengono selezionati gli episodi caldi e freddi del Pacifico tropicale. Anche sostituendo l’indice CPC con la definizione SIMPLE, oppure utilizzando differenti versioni del dataset delle SST, il rapporto relativo tra la frequenza degli SSW negli inverni ENSO e quella degli inverni neutri cambia soltanto moderatamente. Tuttavia, questa apparente robustezza deve essere distinta dalla significatività statistica del risultato: una relazione può infatti mantenere lo stesso segno o una struttura qualitativamente simile pur cessando di essere statisticamente distinguibile dalla variabilità interna del sistema atmosferico. È proprio ciò che emerge nei test di sensibilità. Quando viene utilizzata la definizione SIMPLE di ENSO, per esempio, la frequenza degli SSW negli inverni di La Niña diminuisce leggermente mentre aumenta quella degli inverni neutri, con il risultato che la differenza fra le due categorie non raggiunge più una chiara significatività statistica. Analogamente, passando dalla rianalisi NCEP–NCAR alla JRA-55, la struttura generale della relazione ENSO–SSW rimane riconoscibile, ma il livello di significatività si riduce. La stessa relazione diventa ancora più fragile se il periodo osservazionale viene abbreviato oppure se si impone il conteggio di un solo SSW per inverno. Questi risultati conducono a una delle conclusioni metodologicamente più importanti dello studio: l’associazione statistica tra ENSO e frequenza degli SSW, pur mostrando caratteristiche dinamicamente plausibili, deve essere considerata soltanto marginalmente significativa sulla base del record osservativo disponibile. Questa cautela è coerente con il problema generale della climatologia degli SSW. Gli eventi di riscaldamento stratosferico maggiore sono relativamente poco frequenti e la loro variabilità interannuale è molto elevata; di conseguenza, anche serie osservative superiori a mezzo secolo possono contenere un numero di eventi insufficiente per separare in maniera netta il segnale forzato da ENSO dalla variabilità atmosferica interna. Butler e Polvani, analizzando il periodo 1958–2010, mostrarono per esempio una frequenza degli SSW pari a circa 0,72 eventi per inverno durante El Niño, 0,78 durante La Niña e 0,41 durante condizioni ENSO-neutrali. Un risultato particolarmente interessante era quindi che entrambe le fasi di ENSO sembravano associate a una frequenza degli SSW quasi doppia rispetto agli inverni neutri, nonostante El Niño e La Niña producano generalmente anomalie di segno opposto nella circolazione atmosferica media. Gli autori verificarono inoltre che la conclusione cambiava relativamente poco modificando la soglia utilizzata per classificare gli eventi ENSO. La successiva rivalutazione della relazione ENSO–SSW ha tuttavia evidenziato come una parte di questo comportamento, soprattutto per La Niña, dipenda dalla definizione stessa di SSW. Il confronto tra le definizioni U60 e U65 è particolarmente istruttivo perché i due criteri sono dinamicamente molto simili e differiscono principalmente per la latitudine alla quale viene valutata l’inversione del vento zonale medio a 10 hPa. Spostando semplicemente la latitudine di riferimento da 60°N a 65°N vengono identificati ulteriori eventi negli inverni di El Niño e negli inverni ENSO-neutrali, mentre cambia molto meno il numero degli eventi durante La Niña. Ne consegue che una variazione metodologica apparentemente minima può trasformare un quadro nel quale El Niño e La Niña mostrano frequenze degli SSW comparabili in un quadro in cui El Niño presenta una frequenza sensibilmente maggiore di La Niña. Il motivo risiede nella diversa estensione meridionale dell’inversione dei venti durante i singoli eventi. Negli SSW associati a El Niño l’inversione può rimanere confinata più frequentemente alle latitudini polari, cosicché il vento a 65°N diventa orientale mentre quello a 60°N rimane debolmente occidentale. In queste circostanze lo stesso disturbo stratosferico può essere classificato come major warming dalla definizione U65 ma non dalla U60. Gli eventi associati a La Niña, nel campione analizzato, tendevano invece a mostrare un’inversione del vento estesa maggiormente verso sud, risultando quindi rilevabili con entrambi i criteri. Lo studio sottolinea pertanto che parte della dipendenza della relazione ENSO–SSW dalla definizione non rappresenta necessariamente una differenza fondamentale nella dinamica degli eventi, ma può derivare dal carattere discreto di una soglia applicata a una circolazione atmosferica che varia invece continuamente nello spazio e nel tempo. Questa considerazione è importante anche dal punto di vista fisico. Un SSW non nasce semplicemente nel momento in cui il vento attraversa una soglia convenzionale, ma rappresenta la fase culminante di un processo dinamico caratterizzato dall’interazione fra le onde planetarie provenienti dalla troposfera e il vortice polare stratosferico. La propagazione verticale e la successiva rottura delle onde di Rossby depositano momento nella stratosfera, decelerando la corrente occidentale circumpolare e inducendo una forte circolazione meridiana residua, con subsidenza e riscaldamento adiabatico sull’Artico. La letteratura moderna considera quindi l’inversione del vento una metrica estremamente utile per standardizzare l’identificazione degli eventi, ma non una separazione fisica assoluta tra due regimi completamente differenti. La grande rassegna di Baldwin et al. sottolinea infatti che gli SSW rappresentano manifestazioni estreme della variabilità dinamica del vortice polare e che la loro comparsa dipende dal flusso delle onde planetarie, dallo stato antecedente della stratosfera e da molteplici sorgenti di variabilità troposferica e tropicale. In tale contesto ENSO costituisce uno dei possibili fattori di modulazione, ma non un controllo deterministico. El Niño modifica la convezione tropicale e la distribuzione del riscaldamento diabatico sul Pacifico, producendo teleconnessioni troposferiche che possono alterare il sistema Aleutinico, la struttura delle onde planetarie e la loro propagazione verso la stratosfera. In media, gli eventi El Niño sono associati a un vortice polare artico più caldo e più debole e a un incremento della propagazione anomala delle onde verso l’alto, mentre La Niña tende a produrre una risposta climatologica di segno opposto. La revisione di Domeisen, Garfinkel e Butler mostra tuttavia che il percorso di questa teleconnessione è fortemente modulato dalla stagionalità, dall’intensità dell’evento ENSO, dalla sua configurazione spaziale, dalle condizioni della stratosfera e dall’interazione con altre sorgenti di variabilità quali la quasi-biennial oscillation. Di conseguenza, una risposta robusta del vortice polare medio non implica necessariamente una relazione altrettanto semplice con il numero degli SSW. Questa distinzione permette di comprendere l’apparente paradosso evidenziato da Garfinkel et al., secondo cui El Niño tende mediamente a indebolire e riscaldare il vortice polare, mentre La Niña tende a rafforzarlo e raffreddarlo, eppure il record osservativo storico mostrava frequenze degli SSW sorprendentemente simili durante le due fasi ENSO. Gli autori proposero che la spiegazione risiedesse nel fatto che la regione del Pacifico settentrionale maggiormente collegata ai precursori troposferici degli SSW non coincide perfettamente con quella nella quale le teleconnessioni di El Niño e La Niña manifestano le differenze più marcate. Pertanto, anomalie stagionali opposte del vortice medio possono coesistere con una probabilità simile di produrre episodicamente configurazioni troposferiche favorevoli a una forte propagazione delle onde planetarie verso la stratosfera. La robustezza della relazione deve essere valutata anche considerando la diversità interna degli eventi El Niño. L’ENSO non è infatti un fenomeno spazialmente uniforme e gli episodi caldi possono essere distinti, con molte classificazioni intermedie, in eventi caratterizzati da anomalie massime nel Pacifico orientale e in eventi nei quali il massimo riscaldamento è concentrato nel Pacifico centrale. Questa distinzione è importante perché lo spostamento longitudinale della convezione tropicale modifica la risposta della circolazione extratropicale e, di conseguenza, la sorgente e la propagazione delle onde planetarie che possono raggiungere la stratosfera. Iza e Calvo mostrarono tuttavia che il segnale stratosferico associato agli eventi di Central Pacific El Niño è estremamente sensibile all’occorrere o meno di un SSW. Separando gli inverni CP El Niño in funzione della presenza di un riscaldamento improvviso, la risposta del vortice polare diventa molto più coerente; al contrario, mescolando nello stesso composito inverni con e senza SSW, il segnale viene dominato dalla grande ampiezza dinamica degli eventi stratosferici e può apparire contraddittorio. Questo risultato dimostra che gli SSW non sono semplicemente una risposta passiva a ENSO, ma costituiscono essi stessi una sorgente di variabilità sufficientemente intensa da alterare radicalmente il segnale composito attribuito alle diverse tipologie di El Niño. Anche le simulazioni climatiche hanno fornito risultati non completamente concordanti. Calvo et al., utilizzando modelli CMIP5 con una rappresentazione estesa della stratosfera, hanno mostrato che gli eventi Eastern Pacific e Central Pacific El Niño possono produrre differenti evoluzioni stagionali della risposta stratosferica, sottolineando l’importanza di disporre di campioni molto più numerosi di quelli osservativi per distinguere il segnale forzato dalla variabilità interna. Altri lavori hanno evidenziato che la distinzione tra i due tipi di El Niño può influenzare non necessariamente il semplice numero degli SSW, quanto la loro struttura e durata. Li e Tian, analizzando NCEP–NCAR e HadISST per il periodo 1959–2014, non individuarono differenze nette nella frequenza complessiva dei major e minor SSW fra CP ed EP El Niño, ma trovarono una durata mediamente inferiore degli eventi durante CP El Niño. Tale differenza veniva collegata alle diverse configurazioni delle teleconnessioni PNA e del Western Pacific pattern e alla conseguente modulazione delle onde planetarie di numero d’onda uno e due. Durante gli eventi EP El Niño, una propagazione ascendente più favorevole delle onde alle alte latitudini può infatti determinare un disturbo stratosferico più persistente. Ciò suggerisce che limitare l’analisi alla sola frequenza degli SSW rischia di perdere una parte importante dell’informazione dinamica: due categorie ENSO potrebbero produrre un numero simile di eventi ma influenzarne diversamente l’intensità, la durata, la struttura del vortice e l’evoluzione successiva. Anche gli studi di Garfinkel e collaboratori hanno mostrato quanto la collocazione delle anomalie delle SST nel Pacifico possa modificare il collegamento troposfera–stratosfera; benché alcuni di questi lavori abbiano esaminato variabili stratosferiche diverse dalla frequenza degli SSW, essi evidenziano che CP ed EP El Niño non devono essere necessariamente considerati forcing equivalenti. Una prospettiva particolarmente importante emerge inoltre confrontando osservazioni e grandi ensemble modellistici. Le osservazioni possiedono il vantaggio di descrivere il sistema atmosferico reale, ma soffrono di una dimensione campionaria inevitabilmente limitata. I modelli climatici e stagionali consentono invece di generare centinaia o migliaia di inverni sottoposti a differenti condizioni ENSO, rendendo possibile una valutazione più rigorosa delle probabilità, ma introducono errori sistematici nella climatologia del vortice polare, nella convezione tropicale, nelle teleconnessioni e nella propagazione delle onde planetarie. Per questo motivo l’assenza di un comportamento perfettamente coincidente fra rianalisi e modelli non rappresenta necessariamente una contraddizione, ma evidenzia i limiti complementari dei due approcci. Il lavoro originario sulla sensibilità mostrava infatti una notevole dispersione tra i modelli CMIP5: soltanto alcuni riproducevano una frequenza maggiore degli SSW durante El Niño, mentre altri simulavano un comportamento differente o addirittura una maggiore frequenza durante La Niña; la media multimodello non mostrava quindi una relazione sistematica particolarmente forte fra fase ENSO e frequenza degli SSW. Studi più recenti confermano che la questione rimane complessa. Un’analisi pubblicata da Ineson nel 2024, utilizzando ERA5 per 66 inverni estesi dal 1957/58 al 2022/23, ha ottenuto una frequenza degli SSW di circa 0,57 sia durante El Niño sia durante La Niña e di circa 0,45 negli inverni ENSO-neutrali, un risultato in linea generale con l’idea storica di una maggiore frequenza degli eventi durante entrambe le fasi ENSO rispetto alle condizioni neutre. Nello stesso studio, tuttavia, gli hindcast del sistema GloSea5 mostravano una relazione più monotona, con una probabilità maggiore durante El Niño e minore durante La Niña. La discrepanza tra la relativamente breve serie osservativa e campioni modellistici molto più ampi costituisce un richiamo essenziale alla prudenza statistica. Una particolare sequenza di pochi decenni può contenere, per puro effetto della variabilità interna, un numero insolitamente elevato di SSW durante La Niña, dando l’impressione di una teleconnessione robusta che non necessariamente emerge su periodi molto più lunghi. La revisione di Baldwin et al. giunge infatti alla conclusione che l’aumento della frequenza degli SSW associato a La Niña nel record osservativo non debba necessariamente essere interpretato come una risposta direttamente forzata dalla fase fredda di ENSO, ma possa riflettere in misura sostanziale la variabilità atmosferica interna o l’interferenza di altri forcing climatici. Ne deriva che i risultati dei test di sensibilità assumono un significato che va ben oltre la semplice verifica tecnica dei dataset. Essi mostrano che la relazione ENSO–SSW deve essere interpretata come una modulazione probabilistica di un sistema altamente non lineare, nel quale ENSO modifica lo stato di fondo e la probabilità delle configurazioni troposferiche favorevoli alla propagazione delle onde planetarie, senza determinare direttamente l’insorgenza di un SSW. La comparsa di un singolo evento dipende dall’evoluzione atmosferica sinottica e planetaria delle settimane precedenti, dallo stato del vortice polare, dalla posizione e dall’intensità delle anomalie troposferiche, dalla QBO, dalla Madden–Julian Oscillation, dalla copertura nevosa e da altre sorgenti di variabilità interna. Anche quando El Niño crea condizioni statisticamente più favorevoli a un vortice debole, è quindi perfettamente possibile osservare un inverno El Niño privo di major SSW; analogamente, un intenso SSW può svilupparsi durante La Niña qualora la configurazione delle onde planetarie diventi sufficientemente favorevole. Questa impostazione probabilistica è coerente con la visione moderna della dinamica stratosferica, secondo la quale gli SSW emergono dall’interazione tra forcing troposferico, propagazione ondulatoria e stato antecedente della stratosfera piuttosto che da una semplice corrispondenza uno-a-uno con un singolo indice climatico. Nel complesso, dunque, i test di sensibilità confermano alcuni elementi della relazione ENSO–SSW ma ne delimitano chiaramente la robustezza. L’aumento della probabilità degli SSW durante El Niño rispetto agli inverni ENSO-neutrali appare come il risultato più consistente attraverso differenti definizioni e dataset, sebbene anche la sua significatività sia condizionata dalla limitata lunghezza del record osservativo. Molto meno robusta è invece la risposta associata a La Niña, che può passare da una frequenza apparentemente elevata a una frequenza sostanzialmente indistinguibile da quella neutrale modificando la latitudine di riferimento, l’indice ENSO, la rianalisi o le regole di conteggio degli eventi. La distinzione fra CP ed EP El Niño introduce un ulteriore livello di complessità: le differenze nella posizione delle anomalie tropicali possono alterare le teleconnessioni del Pacifico settentrionale, la propagazione delle onde planetarie e la risposta del vortice, ma l’esiguo numero di eventi osservati rende difficile stabilire con certezza quanto queste differenze si traducano in una modifica sistematica della frequenza degli SSW. La letteratura disponibile suggerisce quindi di evitare interpretazioni deterministiche. ENSO rappresenta una componente importante della variabilità interannuale capace di modificare il contesto dinamico nel quale il vortice polare evolve, ma non costituisce da solo un predittore sufficiente dell’insorgenza di un riscaldamento stratosferico improvviso. La sensibilità alle definizioni U60 e U65, alle rianalisi e ai criteri ENSO non riduce il valore scientifico della teleconnessione; al contrario, evidenzia quanto sia necessario descriverla attraverso probabilità, distribuzioni e meccanismi dinamici piuttosto che attraverso relazioni causali semplicistiche. È proprio questa complessità a rendere indispensabili serie osservative sempre più lunghe, rianalisi continuamente migliorate, grandi ensemble di modelli stratosphere-resolving e criteri diagnostici capaci di rappresentare non soltanto il superamento di una soglia convenzionale, ma anche l’intensità, l’estensione latitudinale, la durata e la struttura dinamica complessiva degli SSW. Solo attraverso l’integrazione di questi strumenti sarà possibile stabilire con maggiore precisione quale parte della variabilità del vortice polare artico sia realmente prevedibile a partire dallo stato di ENSO e quale, invece, appartenga alla componente intrinsecamente caotica della circolazione atmosferica.
Figura 6 – Sensibilità della relazione tra ENSO e frequenza dei riscaldamenti stratosferici improvvisi
La Figura 6 rappresenta uno dei passaggi metodologicamente più importanti dello studio di Song e Son, perché permette di verificare se la relazione osservata tra El Niño–Southern Oscillation e i riscaldamenti stratosferici improvvisi dell’emisfero settentrionale costituisca una caratteristica realmente robusta del sistema atmosfera-oceano oppure se dipenda in misura significativa dalle scelte utilizzate per classificare ENSO, dal dataset delle temperature superficiali oceaniche, dalla rianalisi atmosferica e, soprattutto, dalla definizione adottata per identificare un major Sudden Stratospheric Warming. Il problema non è secondario, poiché gli SSW sono eventi relativamente poco frequenti e caratterizzati da una forte variabilità interannuale: anche una serie osservativa lunga diversi decenni comprende un campione piuttosto limitato di eventi, rendendo le statistiche della loro frequenza particolarmente sensibili all’aggiunta o alla rimozione di pochi casi. Song e Son affrontano precisamente questa difficoltà confrontando due rianalisi di lunga durata, NCEP–NCAR Reanalysis, indicata come NNR, e JRA-55, tre differenti classificazioni di ENSO, denominate CPC, SIMPLE e CPCv5, e due criteri per il riconoscimento degli SSW basati sull’inversione del vento zonale medio a 10 hPa, rispettivamente a 60°N e 65°N. L’esperimento mostrato nella figura costituisce pertanto un vero test di robustezza della teleconnessione ENSO–stratosfera e conduce a un risultato fondamentale: l’aumento della frequenza degli SSW durante El Niño è relativamente persistente attraverso le differenti configurazioni metodologiche, mentre il comportamento durante La Niña è molto meno stabile e la significatività statistica complessiva della relazione rimane marginale.
Per interpretare correttamente il grafico è anzitutto necessario chiarire il significato dell’asse verticale. I valori riportati non rappresentano semplicemente la percentuale di inverni nei quali si verifica almeno un SSW. La frequenza viene calcolata dividendo il numero totale degli eventi rilevati per il numero degli inverni appartenenti a una determinata fase ENSO. Poiché nello stesso inverno possono verificarsi più SSW, il valore può superare il 100%, come accade in alcune delle barre rosse associate a El Niño. Questo dettaglio è essenziale per evitare di interpretare erroneamente un valore superiore al 100% come una probabilità impossibile: esso significa invece che, mediamente, il numero di eventi supera un SSW per inverno all’interno del campione considerato. Gli asterischi posti sopra alcune barre identificano invece le differenze statisticamente significative rispetto agli inverni ENSO-neutrali secondo il bootstrap utilizzato dagli autori; un asterisco corrisponde al livello di confidenza del 90%, mentre due asterischi indicano il 95%. L’utilizzo del bootstrap è particolarmente appropriato in questo contesto, perché consente di valutare quanto frequentemente una differenza della stessa ampiezza potrebbe emergere casualmente redistribuendo gli eventi fra gli inverni disponibili, senza richiedere ipotesi eccessivamente rigide sulla distribuzione statistica di un campione piccolo.
Nel pannello superiore, relativo alla NNR, emerge immediatamente un comportamento sistematico di El Niño. Qualunque sia l’indice ENSO utilizzato, le barre rosse sono più elevate di quelle corrispondenti agli inverni ENSO-neutrali. Con la definizione U60 la frequenza degli SSW durante El Niño si colloca approssimativamente intorno all’80%, mentre gli inverni neutri presentano valori sensibilmente inferiori, specialmente utilizzando CPC e CPCv5. Il passaggio alla definizione U65 rafforza ulteriormente questa separazione: la frequenza durante El Niño raggiunge valori prossimi al 100% e, con l’indice SIMPLE, li supera leggermente. L’aspetto più importante non è tuttavia il singolo valore numerico, quanto la persistenza della stessa gerarchia passando da CPC a SIMPLE e successivamente a CPCv5. Cambia il criterio con cui vengono selezionati gli episodi ENSO, cambia in parte il dataset SST, ma El Niño continua a distinguersi dagli inverni neutri. Gli stessi Song e Son sottolineano che il rapporto relativo tra la frequenza degli SSW negli inverni ENSO e quella negli inverni neutri varia relativamente poco passando dalla classificazione CPC a SIMPLE e che anche l’utilizzo della versione più recente del dataset ERSST, rappresentata da CPCv5, produce modificazioni piuttosto contenute. Questa stabilità suggerisce che il segnale di El Niño non sia un semplice artefatto della soglia o del particolare indice Niño-3.4 adottato.
Il comportamento di La Niña è invece molto più problematico e costituisce probabilmente il messaggio scientifico più importante dell’intera figura. Utilizzando NNR e la classificazione CPC, la definizione U60 mostra una frequenza degli SSW durante La Niña chiaramente superiore a quella degli inverni neutri, riproducendo sostanzialmente il risultato ottenuto da Butler e Polvani nel 2011. Questi autori avevano mostrato che nel record osservativo gli SSW apparivano più frequenti non soltanto durante El Niño, come ci si sarebbe potuti attendere considerando il vortice polare climatologicamente più debole e caldo, ma anche durante La Niña. Il risultato era particolarmente interessante perché sembrava contraddire la risposta stagionale media della stratosfera: El Niño tende infatti a essere associato a un vortice polare più caldo e debole, mentre La Niña tende mediamente a favorire anomalie opposte, con un vortice più freddo e intenso. Butler e Polvani trovarono tuttavia frequenze degli SSW sorprendentemente simili nelle due fasi di ENSO e superiori rispetto agli inverni neutri, aprendo una discussione tuttora rilevante sulla distinzione tra stato medio stagionale del vortice e probabilità degli eventi estremi stratosferici.
La Figura 6 mostra però che questa apparente relazione fra La Niña e maggiore frequenza degli SSW è molto meno robusta di quella associata a El Niño. Quando si passa dall’indice CPC alla definizione SIMPLE, la barra blu diminuisce leggermente mentre quella grigia degli inverni neutri aumenta. La conseguenza è che la differenza tra La Niña e condizioni neutre diventa statisticamente indistinguibile. Questa modifica potrebbe sembrare marginale dal punto di vista grafico, ma è concettualmente molto importante: dimostra che il risultato dipende in parte da quali inverni vengono assegnati alle categorie ENSO. La classificazione CPC richiede che il Niño-3.4 superi una determinata soglia per più stagioni consecutive, mentre la definizione SIMPLE utilizza direttamente la media stagionale sul periodo invernale. I due criteri individuano quindi campioni leggermente diversi. In un sistema caratterizzato da pochi eventi estremi, spostare anche solo alcuni inverni da una categoria all’altra può modificare abbastanza il numero relativo di SSW da alterare la significatività statistica. Gli autori hanno inoltre verificato differenti soglie per la classificazione di ENSO, riscontrando che il quadro generale cambia poco; tuttavia, il caso di La Niña dimostra che “cambiare poco” dal punto di vista qualitativo non equivale necessariamente a mantenere una significatività statistica robusta.
Ancora più istruttivo è il confronto fra le definizioni U60 e U65. Entrambe sono basate sull’inversione del vento zonale medio a 10 hPa, ma utilizzano una latitudine differente. U60 identifica l’evento quando il vento zonale medio a 60°N diventa orientale, mentre U65 applica lo stesso criterio a 65°N. Cinque gradi di latitudine potrebbero sembrare una differenza secondaria, ma in realtà modificano in maniera significativa il campione degli eventi classificati. Butler et al., nello studio dedicato alle definizioni degli SSW, mostrarono che criteri apparentemente simili possono produrre climatologie differenti e che U65 tende a identificare un numero maggiore di eventi rispetto alla definizione convenzionale basata su 60°N. Il motivo è fisico: durante alcuni riscaldamenti il collasso del vortice e l’inversione del vento rimangono confinati alle latitudini più elevate e non si estendono abbastanza verso sud da raggiungere 60°N. Tali eventi possono quindi superare il criterio U65 senza soddisfare U60. Questa differenza diventa particolarmente importante nello studio ENSO–SSW, perché la struttura latitudinale dell’inversione del vento non è identica durante El Niño e La Niña.
Song e Son mostrano infatti che gli SSW verificatisi durante gli inverni di El Niño tendono più frequentemente a presentare inversioni del vento confinate alle alte latitudini, mentre durante La Niña l’inversione può estendersi maggiormente verso latitudini inferiori. Ne consegue che spostare il criterio da 60°N a 65°N aggiunge proporzionalmente più eventi alla categoria El Niño rispetto a quella La Niña. È per questo che nelle colonne U65 della Figura 6 la barra rossa cresce nettamente e raggiunge o supera il 100%, mentre quella blu aumenta in modo molto più contenuto. In termini dinamici, ciò significa che ENSO potrebbe non modulare soltanto il numero degli SSW, ma anche la geometria latitudinale del collasso del vortice. La scelta della latitudine diagnostica finisce quindi per campionare aspetti differenti della stessa variabilità stratosferica. Questo risultato si inserisce direttamente nella più ampia conclusione raggiunta da Butler et al. riguardo all’impossibilità di definire un’unica metrica perfetta per ogni obiettivo scientifico: una definizione standardizzata è indispensabile per confrontare dataset e modelli, ma ogni soglia mantiene una certa sensibilità alla struttura concreta del singolo evento.
Il pannello inferiore della Figura 6 estende l’esperimento alla rianalisi JRA-55 ed è particolarmente importante perché permette di stabilire se il risultato dipenda dalle caratteristiche specifiche della NCEP–NCAR Reanalysis. Anche qui la struttura generale viene conservata. El Niño presenta quasi sempre una frequenza degli SSW superiore agli inverni ENSO-neutrali, soprattutto con U65, mentre La Niña occupa generalmente una posizione intermedia. Tuttavia, le differenze fra le categorie diventano meno nette e gli asterischi di significatività sono meno numerosi rispetto alla NNR. Gli autori concludono quindi che la relazione ENSO–SSW è soltanto debolmente sensibile alla scelta della rianalisi dal punto di vista qualitativo, ma che la sua significatività statistica è più fragile. In altre parole, NNR e JRA-55 raccontano sostanzialmente la stessa storia dinamica, ma non forniscono esattamente lo stesso livello di confidenza statistica.
Questa differenza fra rianalisi non deve essere interpretata come un’anomalia, ma come una conseguenza prevedibile della natura delle rianalisi atmosferiche. Una rianalisi non rappresenta una pura osservazione dell’atmosfera, bensì una ricostruzione dinamicamente coerente ottenuta assimilando osservazioni all’interno di un modello numerico. Differenze nel modello, nel sistema di assimilazione, nella disponibilità delle osservazioni e nel trattamento dei dati, soprattutto nelle prime decadi del record, possono produrre differenze modeste nella rappresentazione del vortice polare e delle inversioni del vento. Quando il criterio diagnostico dipende dal superamento di una soglia precisa, una variazione di pochi metri al secondo può determinare se un evento venga classificato o meno come major SSW. Butler et al. avevano già evidenziato che alcune definizioni sono più sensibili di altre alle differenze fra rianalisi e che la rete osservativa stratosferica è cambiata considerevolmente nel tempo. La Figura 6 fornisce quindi un esempio concreto di come l’incertezza osservativa possa propagarsi sino alla valutazione statistica di una teleconnessione climatica.
Il risultato acquista ulteriore significato se viene inserito nella dinamica fisica attraverso la quale ENSO influenza la stratosfera. El Niño modifica profondamente la distribuzione della convezione tropicale e del riscaldamento diabatico sul Pacifico equatoriale. Queste anomalie generano treni di onde di Rossby che si propagano verso il Pacifico settentrionale e il continente nordamericano, alterando la circolazione extratropicale, la depressione delle Aleutine e la struttura del flusso troposferico. La conseguente modifica delle onde planetarie di grande scala può aumentare il flusso di attività ondulatoria verso la stratosfera. Quando queste onde raggiungono il vortice polare e si dissipano, trasferiscono momento alla circolazione media, rallentando i venti occidentali stratosferici e favorendo il riscaldamento dinamico della regione polare. Questo meccanismo spiega perché numerosi studi abbiano documentato durante El Niño un vortice polare medio più debole e caldo e un’attività ondulatoria planetaria più intensa. Song e Son mostrano che proprio questo segnale è coerente con la maggiore frequenza degli SSW durante El Niño osservata attraverso tutte le definizioni da loro analizzate.
La situazione di La Niña è più complessa. Se si considerasse soltanto la risposta stagionale media, sarebbe naturale aspettarsi una minore frequenza degli SSW, poiché La Niña tende ad associarsi a un vortice più forte e freddo. Tuttavia, Garfinkel e collaboratori hanno mostrato che lo stato medio stagionale del vortice e la probabilità di un evento SSW non sono necessariamente due facce della stessa relazione. Nel record osservativo, le configurazioni del Pacifico settentrionale immediatamente precedenti agli SSW possono risultare simili durante El Niño e La Niña, nonostante la risposta stagionale media sia opposta. La regione troposferica che più efficacemente genera i precursori ondulatori di un SSW, inoltre, non coincide perfettamente con la regione in cui le teleconnessioni lineari di ENSO raggiungono la massima ampiezza. Ciò permette di comprendere come due stati ENSO opposti possano talvolta produrre una frequenza simile di SSW pur generando anomalie stratosferiche medie differenti.
La Figura 6 dimostra tuttavia che questo comportamento di La Niña non può essere considerato universale. Song e Son hanno confrontato complessivamente sette definizioni degli SSW e hanno osservato che tutte mostrano una maggiore frequenza durante El Niño rispetto alle condizioni neutre, mentre La Niña non presenta alcun comportamento sistematico: alcune definizioni restituiscono una frequenza maggiore, altre una frequenza simile e altre ancora valori leggermente inferiori rispetto agli inverni neutri. U60 appartiene proprio al gruppo di definizioni che tende a esaltare il segnale di La Niña; U65, invece, colloca generalmente La Niña molto più vicino alle condizioni neutrali. La Figura 6 deve quindi essere letta come una dimostrazione visiva della dipendenza della relazione ENSO–SSW dalla definizione stessa del fenomeno stratosferico.
Questa conclusione aiuta anche a comprendere le divergenze esistenti nella letteratura riguardo agli eventi El Niño del Pacifico centrale e orientale. Iza e Calvo hanno mostrato che la risposta della stratosfera polare durante Central Pacific El Niño può essere fortemente condizionata dalla presenza o assenza di un SSW: quando gli inverni vengono separati secondo l’occorrere dell’evento stratosferico, emergono risposte molto più coerenti, mentre mescolare inverni con e senza SSW può oscurare il segnale ENSO. Ciò significa che gli SSW non sono semplicemente una variabile passiva controllata dal Pacifico tropicale, ma costituiscono perturbazioni dinamiche così intense da dominare il segnale stratosferico stagionale. Lo stesso studio di Song e Son non individua una chiara preferenza degli SSW verso anomalie Niño-3 o Niño-4, mentre altri esperimenti modellistici hanno suggerito una maggiore frequenza durante Eastern Pacific El Niño rispetto a Central Pacific El Niño. La discrepanza rafforza ulteriormente il messaggio della Figura 6: dimensione del campione, definizione dell’evento e configurazione spaziale di ENSO possono incidere significativamente sul risultato.
Anche studi più recenti confermano che il problema non è ancora completamente risolto. Ineson, analizzando 66 inverni estesi in ERA5 dal 1957/58 al 2022/23, ha trovato una frequenza media degli SSW pari a circa 0,57 eventi per inverno sia durante El Niño sia durante La Niña, contro circa 0,45 negli inverni ENSO-neutrali. Tale risultato ricorda quello originario di Butler e Polvani. Tuttavia, negli hindcast del sistema stagionale GloSea5 emerge una relazione più monotona con ENSO: gli SSW sono più frequenti durante El Niño e meno frequenti durante La Niña, con una dipendenza che diventa più evidente aumentando l’intensità degli episodi ENSO. La differenza fra rianalisi e grandi ensemble modellistici sottolinea quanto il campionamento limitato del record osservativo possa influire sulla climatologia degli eventi rari. Un periodo di sessanta o settanta anni può contenere casualmente una concentrazione elevata di SSW durante una determinata fase ENSO, producendo una relazione che non necessariamente rappresenta la probabilità di lungo periodo del sistema climatico.
La moderna interpretazione degli SSW rafforza questa visione probabilistica. Questi eventi rappresentano l’esito estremo dell’interazione tra vortice polare, propagazione delle onde planetarie e stato antecedente della stratosfera; ENSO costituisce solo uno dei fattori che possono modificare tale interazione. La QBO, la Madden–Julian Oscillation, la distribuzione della neve e del ghiaccio, la configurazione delle onde troposferiche, il precondizionamento del vortice e la variabilità atmosferica interna possono tutti alterare la probabilità di raggiungere il collasso del vortice. Studi sulla prevedibilità subseasonal hanno mostrato, ad esempio, che un vortice precedentemente indebolito, determinate fasi della MJO e una QBO orientale possono contribuire a rendere alcuni SSW più prevedibili di altri. È quindi poco realistico aspettarsi che un unico indice oceanico tropicale determini in modo univoco l’insorgenza di questi eventi.
Nel complesso, la Figura 6 fornisce quindi un messaggio molto più articolato della semplice affermazione secondo cui “ENSO aumenta gli SSW”. Il segnale più robusto riguarda El Niño: indipendentemente dalla classificazione CPC, SIMPLE o CPCv5, dalla rianalisi NNR o JRA-55 e dalla scelta tra U60 e U65, gli inverni di El Niño tendono a presentare una frequenza degli SSW maggiore rispetto agli inverni ENSO-neutrali. Il comportamento di La Niña è invece molto più sensibile alla metodologia e può perdere completamente la propria significatività modificando il criterio ENSO, la rianalisi o la latitudine utilizzata per definire l’inversione del vento. La scelta del dataset SST esercita un’influenza relativamente modesta, mentre la definizione stessa dell’SSW risulta molto più importante. La riduzione della significatività passando da NNR a JRA-55 e la perdita di significatività quando il periodo viene abbreviato o viene conteggiato un solo SSW per inverno inducono gli stessi autori a definire la relazione ENSO–SSW soltanto marginalmente significativa nel record osservativo disponibile.
La rilevanza scientifica della figura consiste proprio in questa cautela. ENSO esercita indubbiamente un’influenza sulla circolazione stratosferica boreale, e il collegamento tra El Niño, maggiore attività delle onde planetarie e indebolimento del vortice polare è supportato da una vasta letteratura. Tuttavia, passare da un cambiamento dello stato medio del vortice alla previsione della frequenza dei singoli SSW significa affrontare un problema molto più complesso. Gli SSW rappresentano eventi discreti inseriti in una dinamica continua e altamente variabile; piccole modificazioni delle soglie diagnostiche possono quindi trasformare un riscaldamento molto intenso ma confinato alle latitudini polari da evento escluso a evento incluso nel campione. Figura 6 mostra in modo particolarmente efficace che la robustezza di una teleconnessione climatica non dovrebbe essere giudicata soltanto dalla somiglianza visiva dei compositi, ma dalla sua capacità di sopravvivere a differenti dataset, definizioni e procedure statistiche. Proprio sotto questo profilo, la risposta di El Niño appare relativamente consistente, mentre quella di La Niña rimane assai più incerta. Questa distinzione è fondamentale sia per interpretare correttamente la climatologia stratosferica sia per utilizzare ENSO come fonte di prevedibilità stagionale: conoscere la fase di ENSO modifica le probabilità di determinati stati del vortice, ma non permette di stabilire deterministicamente se e quando avverrà un riscaldamento stratosferico improvviso.
5. Sintesi e discussione
L’insieme dei risultati ottenuti nello studio di Song e Son conduce a una conclusione di notevole importanza per l’interpretazione della variabilità stratosferica invernale: la relazione statistica tra El Niño–Southern Oscillation e l’occorrenza dei riscaldamenti stratosferici improvvisi non può essere considerata indipendente dal modo in cui un SSW viene definito. Questa conclusione modifica in parte l’interpretazione tradizionale secondo cui sia El Niño sia La Niña sarebbero associati a una frequenza maggiore di major SSW rispetto agli inverni ENSO-neutrali. Utilizzando differenti criteri diagnostici, Song e Son mostrano infatti che l’aumento della frequenza durante El Niño costituisce la caratteristica più persistente, mentre il segnale associato a La Niña cambia sensibilmente passando da una definizione all’altra. Tutte le definizioni analizzate individuano più SSW durante gli inverni di El Niño che durante gli inverni neutri, in accordo con l’intensificazione dell’attività ondulatoria planetaria generalmente associata alla fase calda di ENSO; al contrario, soltanto alcune definizioni mostrano una frequenza elevata anche durante La Niña, mentre altre restituiscono frequenze simili o persino inferiori a quelle degli inverni neutri. Ne consegue che una parte dell’apparente simmetria tra El Niño e La Niña riportata da studi precedenti deriva dalla particolare metrica adottata per riconoscere l’evento stratosferico. La questione acquista particolare rilievo confrontando le definizioni U60 e U65. Entrambe utilizzano l’inversione del vento zonale medio nella media stratosfera come indicatore del collasso del vortice polare, ma differiscono per la latitudine alla quale viene applicato il criterio: la prima richiede che l’inversione raggiunga 60°N, mentre la seconda valuta la circolazione a 65°N. A prima vista si potrebbe pensare che uno spostamento di soli cinque gradi di latitudine produca conseguenze trascurabili. I risultati mostrano invece il contrario. Con U60, sia El Niño sia La Niña possono apparire associati a una maggiore frequenza degli SSW rispetto agli inverni ENSO-neutrali, rendendo comparabili le due fasi ENSO; con U65, invece, la frequenza durante El Niño aumenta considerevolmente rispetto a La Niña. Questa sensibilità non rappresenta semplicemente una curiosità statistica, ma riflette differenze fisiche nella struttura degli eventi. Gli SSW che si verificano durante El Niño tendono infatti a presentare un’inversione del vento relativamente concentrata alle alte latitudini, generalmente estesa da poco più a sud di 55°N fino al polo, mentre quelli associati a La Niña mostrano frequentemente un’inversione più ampia, capace di raggiungere latitudini prossime alla metà dei 40°N. Di conseguenza, un evento di El Niño può produrre una chiara inversione a 65°N senza soddisfare necessariamente il criterio a 60°N, mentre un evento di La Niña, essendo caratterizzato da una perturbazione latitudinalmente più estesa, tende a essere individuato da entrambe le definizioni. Il cambiamento della relazione statistica ENSO–SSW non implica pertanto che la dinamica atmosferica sia arbitraria, ma evidenzia come la soglia diagnostica possa selezionare differenti espressioni spaziali dello stesso fenomeno.
Questo risultato trova un importante riscontro nel lavoro di Butler et al. del 2015, dedicato specificamente al problema della definizione degli SSW. Gli autori mostrarono che, nonostante il criterio basato sull’inversione dei venti occidentali a 10 hPa e alle alte latitudini sia estremamente utile per costruire climatologie confrontabili, differenti dettagli operativi possono cambiare il numero e persino la classificazione degli eventi individuati. La letteratura non possiede infatti una definizione unica capace di rappresentare perfettamente tutti gli aspetti di un SSW, poiché un riscaldamento stratosferico improvviso è un processo dinamico tridimensionale caratterizzato da deformazione, spostamento o scissione del vortice, forte decelerazione della corrente occidentale e profonda riorganizzazione della circolazione meridiana. Ridurre un fenomeno così complesso al superamento di una soglia di vento in un’unica latitudine e a un determinato livello di pressione costituisce inevitabilmente una semplificazione. Butler et al. sottolinearono proprio che differenti definizioni possono produrre climatologie non identiche e che una metrica standardizzata è particolarmente utile quando l’obiettivo è confrontare dataset e modelli, ma non deve essere confusa con una descrizione fisica completa dell’evento. I risultati di Song e Son forniscono una dimostrazione concreta delle implicazioni di questo problema: spostando la latitudine diagnostica si modifica non soltanto la climatologia degli SSW, ma anche la relazione apparentemente esistente fra tali eventi e una delle principali modalità di variabilità climatica interannuale del pianeta.
Le differenze nell’estensione latitudinale dell’inversione del vento possono essere comprese considerando la struttura delle onde planetarie responsabili della perturbazione del vortice polare. Gli SSW sono essenzialmente il risultato di una forte interazione tra le onde di Rossby planetarie provenienti dalla troposfera e la circolazione stratosferica. Quando queste onde riescono a propagarsi verso l’alto e a depositare quantità sufficienti di momento nella stratosfera, i venti occidentali del vortice vengono decelerati; nei casi più estremi la circolazione si arresta e successivamente diventa orientale. La decelerazione è accompagnata da una forte circolazione meridiana indotta dinamicamente, con subsidenza dell’aria alle alte latitudini e conseguente riscaldamento adiabatico della stratosfera polare. La moderna revisione di Baldwin et al. descrive gli SSW proprio come eventi prodotti dalla rottura di onde di scala planetaria propagate dalla troposfera, sottolineando che la climatologia del flusso medio e l’ampiezza delle onde costituiscono elementi fondamentali nel determinare la probabilità che un disturbo del vortice evolva fino a un major warming. In questo quadro, la diversa struttura ondulatoria osservata durante El Niño e La Niña offre una spiegazione dinamica della diversa estensione dell’inversione del vento. Durante gli inverni di El Niño caratterizzati da SSW, il disturbo stratosferico risulta dominato soprattutto dall’onda planetaria di numero d’onda zonale uno, il cui massimo è maggiormente concentrato verso le alte latitudini, approssimativamente intorno ai 70°N. Una perturbazione dominata da questa componente tende quindi a produrre una marcata decelerazione del vortice nella regione polare, senza necessariamente estendere l’inversione altrettanto efficacemente verso latitudini più meridionali. Durante gli inverni di La Niña, invece, agli eventi SSW contribuiscono in maniera rilevante sia l’onda planetaria uno sia l’onda planetaria due. Quest’ultima presenta una struttura maggiormente centrata verso circa 60°N e favorisce quindi una perturbazione del flusso zonale distribuita su una fascia latitudinale più ampia. In questo modo la differenza statistica tra U60 e U65 acquisisce una precisa interpretazione dinamica: non è semplicemente la conseguenza di una scelta arbitraria della soglia, ma riflette il fatto che le onde responsabili del collasso del vortice possiedono strutture latitudinali differenti nelle diverse fasi ENSO.
Questa interpretazione è coerente con la più ampia letteratura sulla teleconnessione tra ENSO e stratosfera. La revisione di Domeisen, Garfinkel e Butler mostra che El Niño tende, in media, a essere associato a un vortice polare più caldo e debole e a una propagazione anomala delle onde planetarie verso la stratosfera, mentre La Niña presenta generalmente anomalie di segno opposto nello stato medio. Il collegamento prende origine dalle modificazioni della convezione e del riscaldamento diabatico nel Pacifico tropicale, che alterano i treni di onde di Rossby nella troposfera e la circolazione del Pacifico settentrionale, modificando successivamente le condizioni attraverso cui l’attività ondulatoria può raggiungere la stratosfera. Tuttavia, questa risposta media non significa che ogni inverno El Niño debba produrre un SSW o che La Niña debba impedirlo. La teleconnessione è fortemente non lineare ed è modulata dallo stato precedente del vortice, dalla variabilità meteorologica interna, dalla QBO, dalla struttura specifica dell’evento ENSO e da altre sorgenti di variabilità tropicale ed extratropicale. Proprio questa distinzione tra risposta climatologica media e probabilità di un evento estremo aiuta a spiegare perché la relazione fra ENSO e frequenza degli SSW possa apparire meno semplice di quanto ci si aspetterebbe osservando soltanto le anomalie medie del vortice.
La limitata lunghezza delle rianalisi rappresenta inoltre un problema centrale. Gli SSW maggiori sono eventi relativamente poco frequenti e la loro suddivisione in sottocampioni di El Niño, La Niña e condizioni neutre riduce ulteriormente il numero di casi disponibili. Come ricordano Song e Son, alcune delle definizioni analizzate identificano soltanto poche decine di eventi nell’intero record. Quando questi vengono ulteriormente divisi secondo la fase ENSO, ciascun campione può contenere un numero molto piccolo di episodi. In tali condizioni, uno o due eventi supplementari possono alterare significativamente la frequenza relativa e perfino modificare la significatività statistica della differenza fra due categorie. Questa difficoltà non riguarda esclusivamente lo studio in questione, ma costituisce una caratteristica intrinseca della climatologia degli eventi estremi stratosferici. Anche Baldwin et al. sottolineano che l’elevata variabilità interannuale degli SSW e il numero relativamente limitato di casi osservativi rendono complessa l’identificazione dei fattori esterni che ne modulano la frequenza. È quindi possibile che alcune caratteristiche apparentemente robuste nella serie storica riflettano in parte il campionamento della variabilità atmosferica interna anziché una relazione causale stabile sul lungo periodo.
Proprio per superare questa limitazione Song e Son estendono l’analisi ai modelli climatici high-top di CMIP5, cioè modelli la cui atmosfera superiore si estende sufficientemente in alto e possiede una risoluzione verticale adeguata a rappresentare almeno in maniera ragionevole la dinamica della stratosfera. In linea teorica, l’impiego di simulazioni climatiche molto più lunghe dovrebbe consentire di ottenere campioni più numerosi di El Niño, La Niña e SSW, riducendo la sensibilità delle statistiche alla presenza di pochi singoli eventi. Tuttavia, il confronto fra dodici modelli CMIP5 rivela un quadro fortemente eterogeneo. Soltanto HadGEM2-CC e MIROC-ESM-CHEM riproducono statistiche degli SSW relativamente simili a quelle delle rianalisi. Alcuni modelli mostrano una maggiore frequenza durante El Niño rispetto agli inverni neutrali, mentre altri producono più SSW durante La Niña che durante El Niño. Considerando la media dell’intero ensemble, non emerge una relazione sistematica particolarmente chiara tra fase ENSO e frequenza degli SSW. Questo risultato è importante perché dimostra che aumentare la dimensione del campione non risolve automaticamente il problema: una statistica più robusta è utile soltanto se il modello rappresenta in maniera sufficientemente realistica sia il vortice polare sia la catena di teleconnessioni che trasferisce il segnale ENSO dal Pacifico tropicale alla stratosfera artica.
Una delle possibili spiegazioni risiede nei bias dello stato medio modellistico. Kim et al. hanno dimostrato che l’applicazione di una soglia assoluta, come l’inversione del vento a 60°N e 10 hPa, può produrre frequenze degli SSW fortemente dipendenti dall’intensità climatologica del vortice simulato. Un modello caratterizzato da venti occidentali medi troppo deboli richiederà una perturbazione relativamente piccola per attraversare la soglia dello zero e sarà quindi incline a identificare un numero maggiore di SSW; viceversa, un vortice climatologicamente troppo forte potrà richiedere perturbazioni eccezionali prima che si verifichi un’inversione formale, sottostimando così la frequenza degli eventi. Per affrontare questo problema, Kim e collaboratori proposero criteri relativi basati sulla variazione del vento rispetto allo stato di fondo del modello. Applicando una definizione relativa, le differenze nella climatologia degli SSW fra modelli possono cambiare considerevolmente. Ciò è essenziale per comprendere perché alcuni modelli CMIP5 possano apparentemente fallire nel riprodurre l’aumento degli SSW durante El Niño: il problema potrebbe non derivare esclusivamente dalla teleconnessione ENSO, ma dall’interazione fra tale teleconnessione e un vortice medio rappresentato in maniera distorta.
La distinzione fra errore del modello e reale incertezza dinamica diventa ancora più rilevante considerando i risultati ottenuti dalle generazioni modellistiche successive. Un’analisi che ha confrontato CMIP5 e CMIP6 ha mostrato che nei modelli CMIP6 la frequenza complessiva degli SSW risulta più realistica rispetto a quella generalmente troppo bassa di numerosi modelli CMIP5; nello stesso insieme CMIP6 emerge inoltre, in media, un lieve aumento degli SSW durante El Niño e una diminuzione durante La Niña rispetto alle condizioni ENSO-neutrali. Questo non significa che il problema possa considerarsi risolto, poiché rimane una notevole dispersione fra i singoli modelli, ma suggerisce che il miglioramento della rappresentazione della stratosfera e dello stato medio può modificare sensibilmente la relazione simulata fra ENSO e SSW. In altri termini, una relazione statistica apparentemente debole nella media CMIP5 non costituisce necessariamente una prova dell’assenza di un legame fisico; può invece evidenziare quanto tale legame sia difficile da rappresentare quando sono presenti errori nella convezione tropicale, nelle teleconnessioni del Pacifico settentrionale, nella climatologia delle onde planetarie o nell’intensità del vortice polare.
Un ulteriore elemento fondamentale della discussione riguarda l’obiettivo stesso delle definizioni degli SSW. Song e Son sottolineano correttamente che il loro lavoro non mira a stabilire quale criterio sia “migliore”. Questa precisazione è essenziale. Una definizione basata sull’inversione dei venti possiede il vantaggio della semplicità, della facilità di applicazione e della relazione diretta con il collasso della circolazione occidentale invernale. Altre metriche possono tuttavia essere più adatte a determinati problemi scientifici. Le definizioni basate sulle funzioni ortogonali empiriche, per esempio, possono descrivere la variabilità dominante del vortice senza richiedere necessariamente il superamento di una soglia assoluta; quelle basate sui momenti bidimensionali del vortice permettono di quantificarne geometricamente lo spostamento, la deformazione e la scissione; i criteri fondati sulla tendenza del vento misurano invece l’intensità della decelerazione rispetto allo stato di fondo e possono quindi ridurre alcuni problemi derivanti dai bias climatologici dei modelli. Butler et al. hanno evidenziato precisamente come nessuna singola definizione possa essere ottimale per ogni applicazione e come uno standard comune sia particolarmente importante per i confronti statistici, senza per questo rendere inutili metriche alternative più appropriate per studiare la dinamica dei singoli eventi.
Questa molteplicità di definizioni ha conseguenze anche per lo studio della variabilità interannuale e decadale degli SSW. Se criteri differenti possono identificare campioni parzialmente diversi, una tendenza o un’oscillazione di lungo periodo osservata utilizzando una singola definizione potrebbe non essere altrettanto evidente con un’altra. È quindi metodologicamente più robusto verificare se una relazione climatica sopravviva all’utilizzo di più metriche indipendenti. Nel caso di ENSO, questa strategia permette di separare meglio le caratteristiche realmente persistenti da quelle dipendenti dalla soglia diagnostica. Proprio sotto questo profilo il risultato riguardante El Niño assume un’importanza maggiore: l’aumento della frequenza degli SSW rispetto agli inverni neutri compare attraverso tutte le definizioni analizzate da Song e Son, mentre il segnale di La Niña non possiede la stessa robustezza. Il dato suggerisce quindi che l’influenza di El Niño sulla probabilità di perturbazioni estreme del vortice sia più consistente, anche se non deterministica, mentre l’apparente incremento osservato durante La Niña deve essere interpretato con maggiore prudenza.
La prospettiva più moderna sulla dinamica stratosferica rafforza questa interpretazione. Gli SSW non devono essere pensati come una conseguenza automatica di un singolo forcing climatico, bensì come il risultato finale di una concatenazione di processi che comprende la generazione delle onde nella troposfera, la loro propagazione verticale, l’interazione con il flusso medio, il precondizionamento del vortice e la retroazione tra onde e circolazione. ENSO può modificare le probabilità di alcune configurazioni di questa catena senza determinarne inevitabilmente l’esito. La fase calda del Pacifico tropicale può favorire, in media, una maggiore propagazione ondulatoria e un vortice più debole, ma la realizzazione concreta di un major warming rimane legata alla sequenza meteorologica delle settimane precedenti. Analogamente, una fase La Niña associata climatologicamente a un vortice più intenso non esclude che un’anomala configurazione delle onde planetarie produca comunque un SSW. La grande revisione di Baldwin et al. evidenzia infatti come la probabilità degli eventi dipenda simultaneamente dalla climatologia del flusso, dalle onde planetarie e da molteplici forme di variabilità interna ed esterna, confermando l’inadeguatezza di un’interpretazione puramente deterministica.
La conclusione generale dello studio assume pertanto un valore metodologico che supera la sola relazione ENSO–SSW. Essa mostra che la robustezza di una teleconnessione climatica dovrebbe essere valutata non semplicemente verificando se una differenza appare significativa con una singola metrica, ma stabilendo se il risultato persiste cambiando dataset, periodo temporale, definizione dell’evento e metodo statistico. Nel caso degli SSW, questa esigenza è particolarmente forte perché la soglia utilizzata per trasformare la continua evoluzione dinamica del vortice in una categoria binaria, evento oppure non evento, può amplificare differenze relativamente modeste nella struttura latitudinale della circolazione. Il confronto U60–U65 dimostra in maniera esemplare questa problematica: entrambi i criteri descrivono lo stesso fenomeno fisico generale, ma possono produrre conclusioni diverse sulla relazione con La Niña perché gli eventi delle due fasi ENSO non possiedono la stessa estensione latitudinale dell’inversione del vento. Il risultato non invalida né U60 né U65; indica invece che ciascuna definizione campiona una parte leggermente diversa della variabilità del vortice.
In definitiva, il quadro che emerge è quello di una teleconnessione reale ma complessa. El Niño modifica la circolazione atmosferica dal Pacifico tropicale fino alla stratosfera polare e, attraverso l’intensificazione della propagazione delle onde planetarie, tende ad aumentare la vulnerabilità del vortice artico alle grandi perturbazioni. Questa caratteristica appare relativamente robusta nelle rianalisi e sopravvive all’impiego di molteplici definizioni degli SSW. La risposta di La Niña, invece, non presenta un comportamento altrettanto sistematico e dipende maggiormente dalla struttura delle onde, dall’estensione latitudinale dell’inversione e dalla metrica utilizzata. I modelli climatici introducono un ulteriore livello di complessità, perché gli errori nello stato medio del vortice e nella rappresentazione delle teleconnessioni possono modificare profondamente le statistiche degli eventi. La strada più solida per comprendere la relazione ENSO–SSW consiste quindi nell’utilizzare contemporaneamente più definizioni, più rianalisi, grandi ensemble modellistici e diagnostiche dinamiche capaci di descrivere non soltanto la frequenza degli eventi, ma anche la loro intensità, durata, struttura latitudinale e composizione ondulatoria. In questo senso, Song e Son non individuano semplicemente una dipendenza tecnica dalla definizione degli SSW, ma mostrano qualcosa di più generale: quando si studiano eventi atmosferici estremi inseriti in un sistema altamente non lineare, la definizione diagnostica costituisce parte integrante dell’interpretazione fisica. La relazione ENSO–SSW deve pertanto essere considerata probabilistica e dipendente dallo stato del sistema, con El Niño come modulatore relativamente robusto della vulnerabilità del vortice polare e con La Niña caratterizzata da una risposta molto più sensibile alla particolare dinamica degli eventi e al criterio utilizzato per identificarli. Questa impostazione, coerente con le successive revisioni della letteratura sulla teleconnessione ENSO–stratosfera e sulla dinamica dei Sudden Stratospheric Warmings, rappresenta probabilmente il quadro più appropriato per interpretare tanto le osservazioni quanto le simulazioni climatiche e per valutare il contributo della stratosfera alla prevedibilità stagionale e subseasonal del clima extratropicale.
Figura 7 – La relazione ENSO–SSW nei modelli climatici CMIP5 e il problema della rappresentazione della dinamica stratosferica
La Figura 7 costituisce un passaggio particolarmente importante nell’analisi della relazione tra El Niño–Southern Oscillation e i riscaldamenti stratosferici improvvisi, poiché trasferisce il problema dalle rianalisi atmosferiche alle simulazioni climatiche di lunga durata e permette quindi di verificare se il legame individuato nel record osservativo emerga spontaneamente anche in modelli accoppiati atmosfera-oceano dotati di una stratosfera adeguatamente risolta. Song e Son analizzano dodici modelli high-top appartenenti al Coupled Model Intercomparison Project Phase 5, utilizzando le simulazioni storiche comprese tra il 1950 e il 2005 e classificando gli inverni ENSO mediante la definizione SIMPLE. Il pannello superiore mostra la frequenza degli SSW ottenuta con il criterio U60, mentre quello inferiore utilizza U65. Le barre rosse rappresentano gli inverni di El Niño, quelle grigie gli inverni ENSO-neutrali e quelle blu gli inverni di La Niña. Il confronto con le rianalisi, riportato nella parte destra della figura insieme alla media multimodello, rende immediatamente evidente la conclusione fondamentale dello studio: contrariamente a quanto emerge con una certa coerenza nelle osservazioni, i modelli CMIP5 non simulano una relazione sistematica e condivisa tra la fase di ENSO e la frequenza dei major SSW. La dispersione tra i modelli è così ampia che il segnale associato a ENSO viene in gran parte cancellato quando si calcola la media dell’ensemble.
La costruzione stessa della figura è importante per comprenderne il significato. Nei due pannelli la frequenza non deve essere interpretata semplicemente come percentuale di inverni contenenti almeno un evento, perché la metodologia permette di contabilizzare più di un SSW nel corso dello stesso inverno. Per questo motivo alcuni valori possono raggiungere o persino superare il 100%, come avviene in maniera particolarmente evidente per MIROC-ESM-CHEM nella definizione U65. Un valore superiore al 100% indica che, mediamente, nella categoria ENSO considerata si verifica più di un evento per inverno, non una probabilità superiore all’unità. Questa scelta è coerente con gli studi osservativi precedenti, nei quali erano stati identificati alcuni inverni caratterizzati da due major warmings. Butler e Polvani, analizzando il periodo 1958–2010, avevano infatti individuato 34 SSW nella NCEP–NCAR Reanalysis e avevano mostrato che gli eventi erano quasi due volte più frequenti durante gli inverni ENSO rispetto a quelli neutrali; sorprendentemente, le frequenze osservate durante El Niño e La Niña risultavano molto simili, rispettivamente circa 0,72 e 0,78 eventi per inverno, contro circa 0,41 negli inverni neutrali. È proprio questo risultato osservativo, successivamente riconsiderato da Song e Son attraverso molteplici definizioni degli SSW, che la Figura 7 cerca di verificare nelle simulazioni climatiche.
Il primo elemento che emerge dal pannello relativo a U60 è l’assenza di una risposta uniforme. Se ENSO esercitasse sui modelli un controllo statisticamente robusto e rappresentato in maniera coerente, ci si attenderebbe che la maggior parte delle simulazioni mostrasse una configurazione simile delle tre barre, per esempio una barra rossa sistematicamente più elevata di quella grigia durante El Niño. Al contrario, il comportamento cambia radicalmente da un modello all’altro. HadGEM2-CC e MIROC-ESM-CHEM rappresentano i casi che più assomigliano alle rianalisi e, insieme a GFDL-CM3, appartengono al ristretto gruppo di modelli nei quali gli SSW risultano più frequenti durante El Niño rispetto agli inverni ENSO-neutrali. In altri modelli la relazione è debole o praticamente assente, mentre IPSL-CM5A-MR, MPI-ESM-MR e MRI-CGCM3 presentano addirittura una maggiore frequenza degli SSW durante La Niña rispetto a El Niño. L’ensemble non mostra quindi semplicemente differenze nell’intensità di una risposta comune: in alcuni casi cambia persino il segno della relazione ENSO–SSW. Song e Son sottolineano precisamente che soltanto HadGEM2-CC e MIROC-ESM-CHEM presentano statistiche relativamente comparabili a quelle delle rianalisi, mentre la maggior parte dei modelli non riproduce l’incremento degli SSW durante El Niño che emerge dal loro studio osservativo e da precedenti esperimenti modellistici.
La media multimodello riportata sulla destra sintetizza efficacemente questa situazione. Le frequenze associate a El Niño, condizioni neutrali e La Niña sono relativamente vicine tra loro e le barre d’errore, corrispondenti a una deviazione standard della distribuzione intermodellistica, sono ampie. Questo è uno degli aspetti più importanti dell’intera Figura 7: la variabilità della risposta da un modello all’altro è maggiore della differenza media associata alle differenti fasi ENSO. La quasi assenza di un segnale nella media multimodello non deve quindi essere interpretata automaticamente come dimostrazione dell’assenza di una teleconnessione fisica tra Pacifico tropicale e stratosfera. Può derivare, almeno in parte, dalla cancellazione statistica di risposte modellistiche di segno opposto. Alcuni modelli simulano infatti un aumento degli SSW durante El Niño, altri durante La Niña e altri ancora producono differenze molto modeste. La MMM può pertanto risultare quasi neutra pur essendo composta da modelli individuali caratterizzati da risposte ENSO molto forti, ma incompatibili fra loro. Questo rappresenta un esempio importante dei limiti interpretativi della media multimodello quando i modelli non concordano sul meccanismo fisico sottostante.
Il confronto fra i pannelli U60 e U65 aggiunge un ulteriore livello di complessità. Spostare la latitudine diagnostica dell’inversione del vento da 60°N a 65°N modifica considerevolmente la frequenza degli SSW in diversi modelli e, in alcuni casi, amplifica fortemente la risposta associata a una particolare fase ENSO. MIROC-ESM-CHEM costituisce probabilmente l’esempio più evidente: con U65 la frequenza degli eventi durante El Niño raggiunge un valore eccezionalmente elevato, dell’ordine di oltre un evento e mezzo per inverno, mentre quella degli inverni neutrali e di La Niña rimane molto inferiore. In altri modelli, invece, il passaggio da U60 a U65 produce modificazioni molto meno pronunciate oppure continua a favorire La Niña. La conseguenza è che la conclusione generale non cambia: né U60 né U65 producono un rapporto ENSO–SSW coerente nell’intero ensemble CMIP5.
Questo risultato si collega direttamente alla sensibilità delle definizioni degli SSW discussa nelle sezioni precedenti. Un major warming costituisce una perturbazione tridimensionale del vortice polare, mentre U60 e U65 trasformano questa complessa evoluzione dinamica in un criterio binario basato sull’inversione del vento a una specifica latitudine e quota. La letteratura ha dimostrato che la frequenza degli eventi dipende dalla latitudine, dal livello di pressione e dalla soglia scelta per identificare l’inversione. Butler e Gerber hanno successivamente analizzato sistematicamente questo problema, mostrando che il criterio tradizionale centrato attorno a 60°N e 10 hPa ricade effettivamente in una regione dello spazio dei parametri nella quale vengono selezionati eventi caratterizzati da forte decelerazione del vortice, marcato riscaldamento e significativo accoppiamento troposfera-stratosfera, ma hanno anche evidenziato che la variabilità stratosferica è continua e che non esiste una soglia capace di separare in maniera perfetta due categorie fisicamente distinte. La sensibilità mostrata dalla Figura 7 non è quindi un’anomalia specifica di questi modelli, bensì una manifestazione di un problema più generale nella costruzione delle climatologie degli SSW.
La difficoltà diventa ancora più importante quando un criterio assoluto viene applicato a modelli caratterizzati da climatologie differenti. Kim e collaboratori hanno mostrato che la definizione basata sull’inversione del vento può essere fortemente influenzata dai bias dello stato medio del vortice polare. Un modello che simula venti occidentali climatologicamente troppo deboli necessita di una perturbazione relativamente modesta per raggiungere l’inversione, mentre un modello caratterizzato da un vortice eccessivamente intenso richiederà un forcing ondulatorio molto maggiore prima di soddisfare lo stesso criterio. Di conseguenza, due modelli sottoposti a perturbazioni dinamicamente comparabili possono produrre numeri molto differenti di SSW semplicemente perché partono da stati climatologici diversi. Kim et al. mostrarono che le statistiche degli eventi possono modificarsi considerevolmente quando si sostituisce la definizione assoluta di inversione con una metrica relativa fondata sulla decelerazione del vento rispetto allo stato di fondo. Questo risultato offre una spiegazione plausibile di almeno una parte dell’enorme dispersione visibile nella Figura 7.
Il problema, tuttavia, non può essere ricondotto esclusivamente alla climatologia del vortice. Per riprodurre correttamente la relazione ENSO–SSW un modello deve simulare realisticamente una lunga catena di processi che collega il Pacifico tropicale alla stratosfera artica. El Niño modifica la distribuzione longitudinale della convezione profonda e del riscaldamento diabatico tropicale; questa perturbazione genera una risposta delle onde di Rossby troposferiche, altera il jet del Pacifico settentrionale e modifica la circolazione associata alla depressione aleutinica. Tali variazioni influenzano successivamente l’ampiezza, la fase e la propagazione verticale delle onde planetarie che raggiungono la stratosfera. Se il flusso ondulatorio verso l’alto aumenta e le onde riescono a propagarsi nella regione del vortice polare, la loro dissipazione esercita una decelerazione sul flusso occidentale; quando il forcing è sufficientemente intenso e persistente, il vortice può subire una profonda deformazione, uno spostamento o una scissione e può infine verificarsi un major SSW. La grande revisione di Baldwin e collaboratori descrive gli SSW come la conseguenza estrema della rottura di onde planetarie provenienti dalla troposfera e sottolinea come la probabilità dell’evento dipenda simultaneamente dalla climatologia del flusso medio e dall’ampiezza dell’attività ondulatoria.
Un modello può quindi riprodurre in maniera soddisfacente l’indice Niño-3.4 e tuttavia simulare male la risposta stratosferica. È sufficiente un errore nella posizione della convezione tropicale, nella struttura del treno d’onda del Pacifico, nella posizione del jet, nell’intensità della depressione aleutinica o nella propagazione verticale delle onde per modificare radicalmente il collegamento con il vortice polare. Questo aspetto è fondamentale per interpretare la Figura 7: la grande dispersione non misura soltanto l’incertezza sul numero degli SSW, ma integra gli errori accumulati lungo l’intera teleconnessione tropici–extratropici–stratosfera. La simulazione corretta dell’ENSO oceanico rappresenta quindi una condizione necessaria, ma non sufficiente, per una rappresentazione realistica della risposta stratosferica.
Il confronto con Butler e Polvani rende ancora più interessante questa divergenza. Nel record osservativo da loro analizzato, El Niño e La Niña erano entrambi associati a una frequenza degli SSW quasi doppia rispetto agli inverni ENSO-neutrali, nonostante il loro impatto climatologico medio sul vortice fosse differente. Gli stessi autori sottolineavano che alcuni dei più intensi eventi El Niño osservati, fra cui quelli del 1982/83 e del 1997/98, non furono accompagnati da major SSW, dimostrando che il legame non è deterministico. Song e Son hanno successivamente mostrato che il risultato relativo a La Niña è molto sensibile alla definizione dell’SSW, mentre l’aumento durante El Niño rispetto agli inverni neutrali emerge con maggiore coerenza attraverso le differenti metriche considerate. La Figura 7 porta questa conclusione un passo oltre: persino il segnale relativamente robusto di El Niño nelle rianalisi non viene riprodotto sistematicamente dai modelli CMIP5.
Ciò non implica necessariamente che il meccanismo osservato sia spurio. Le rianalisi possiedono un limite importante: il numero di SSW è piccolo e diventa ancora più ridotto quando gli eventi vengono suddivisi fra El Niño, La Niña e condizioni neutrali. I modelli climatici permettono invece di accumulare campioni più estesi, ma introducono errori strutturali propri. Si crea quindi una situazione nella quale osservazioni e modelli possiedono debolezze complementari: le prime descrivono l’atmosfera reale ma dispongono di pochi eventi indipendenti; i secondi offrono grandi campioni statistici ma possono rappresentare in modo imperfetto i meccanismi della teleconnessione. Per questa ragione l’assenza di consenso nei CMIP5 non può essere utilizzata da sola per confutare il collegamento fisico ENSO–stratosfera, così come una differenza significativa in una breve rianalisi non può essere automaticamente interpretata come prova definitiva di una relazione universale.
Questa interpretazione è stata rafforzata anche da lavori successivi che hanno confrontato CMIP5 con la generazione CMIP6. Un’analisi pubblicata nel 2023 ha mostrato che nei modelli CMIP6 la frequenza climatologica degli SSW è mediamente più vicina a quella delle rianalisi: circa 0,58 eventi per inverno nell’ensemble analizzato, mentre il corrispondente valore dei CMIP5 era soltanto intorno a 0,3. Nello stesso studio, i CMIP6 mostrano in media un lieve aumento della frequenza degli SSW durante El Niño e una diminuzione durante La Niña rispetto alle condizioni ENSO-neutrali. Questo risultato è particolarmente interessante alla luce della Figura 7, perché suggerisce che almeno una parte della debole relazione ENSO–SSW nei CMIP5 possa essere collegata a carenze nella rappresentazione dello stato medio e della dinamica stratosferica piuttosto che all’assenza del meccanismo fisico. Allo stesso tempo, il segnale nei modelli più recenti rimane tutt’altro che perfettamente uniforme, confermando che la teleconnessione è intrinsecamente complessa.
La distinzione tra frequenza climatologica degli SSW e risposta a ENSO è essenziale. Un modello potrebbe riprodurre correttamente circa sei major warmings per decennio e tuttavia associarli alle fasi ENSO sbagliate; al contrario, un modello potrebbe simulare correttamente una maggiore probabilità durante El Niño ma sottostimare fortemente il numero totale degli eventi. La validazione richiede pertanto almeno due livelli differenti: il modello deve rappresentare una climatologia realistica del vortice e degli SSW e deve anche riprodurre correttamente la modulazione interannuale esercitata dalle sorgenti esterne e interne di variabilità. Figura 7 mostra che molti modelli CMIP5 hanno difficoltà proprio nel secondo livello, e in alcuni casi probabilmente anche nel primo.
Anche la caratteristica high-top dei modelli selezionati merita una considerazione. Una rappresentazione sufficientemente estesa e verticalmente risolta della stratosfera è necessaria per simulare correttamente le onde planetarie, la circolazione del vortice e il coupling verticale, ma non garantisce automaticamente risultati realistici. La revisione di Baldwin et al. ricorda che il forte incremento del numero di modelli dotati di una stratosfera ben risolta avvenuto con CMIP5 ha rappresentato un progresso fondamentale per lo studio degli SSW, ma la simulazione realistica di questi eventi richiede anche un corretto stato medio, una buona rappresentazione della propagazione ondulatoria e dei processi che collegano troposfera e stratosfera. Essere high-top rappresenta pertanto una condizione favorevole, non una garanzia di accuratezza.
La Figura 7 aiuta inoltre a comprendere perché la media multimodello debba essere interpretata con particolare prudenza nello studio dei meccanismi. Se metà dei modelli producesse una forte risposta positiva a El Niño e l’altra metà una risposta altrettanto intensa ma opposta, la media potrebbe indicare una relazione quasi nulla. Dal punto di vista statistico il risultato sarebbe corretto, ma fisicamente nasconderebbe una profonda incoerenza tra i modelli. Le ampie barre d’errore della MMM visualizzano precisamente questa dispersione. In questo caso non è sufficiente chiedersi quale sia la risposta media dell’ensemble; occorre chiedersi perché modelli sottoposti a forcing ENSO analoghi sviluppino comportamenti stratosferici così differenti. L’analisi dei bias del vortice, della posizione dei jet, delle onde planetarie e delle teleconnessioni troposferiche diventa quindi più informativa della sola MMM.
Il confronto U60–U65 mostra contemporaneamente che la validazione dipende da ciò che viene misurato. Nelle rianalisi Song e Son hanno individuato una ragione dinamica per la maggiore sensibilità degli eventi di El Niño alla scelta della latitudine: gli SSW associati a El Niño mostrano frequentemente un’inversione del vento più confinata verso il polo, mentre durante La Niña l’inversione può estendersi maggiormente verso sud a causa del contributo più pronunciato dell’onda planetaria di numero d’onda due. Se un modello non rappresenta correttamente la distribuzione latitudinale delle onde uno e due, non soltanto può simulare un numero sbagliato di SSW, ma può rispondere in maniera anomala al passaggio dalla definizione U60 alla U65. Il confronto delle due metà della Figura 7 costituisce quindi indirettamente anche una verifica della struttura spaziale della dinamica ondulatoria modellistica e non una semplice prova di sensibilità statistica.
Questa considerazione rimanda alla natura fisica del vortice polare. Un SSW non consiste semplicemente nel valore del vento in un determinato punto della media zonale; rappresenta una profonda riorganizzazione della circolazione stratosferica. La rottura delle onde planetarie altera la distribuzione della vorticità potenziale, erode o disloca il vortice e induce forti movimenti verticali con riscaldamento adiabatico dell’aria polare discendente. La fase di ENSO può predisporre l’atmosfera a determinate configurazioni ondulatorie, ma il percorso verso il collasso del vortice dipende dallo stato iniziale della stratosfera e dalla successione degli impulsi ondulatori troposferici. Baldwin et al. sottolineano infatti che, nonostante decenni di ricerca, il modo preciso in cui le interazioni estreme fra onde e flusso medio vengono innescate fino alla completa rottura del vortice non è ancora interamente compreso. Tale non linearità rende plausibile una notevole dispersione fra modelli anche quando il forcing tropicale di grande scala appare comparabile.
La conseguenza più importante è che ENSO deve essere considerato un modulatore probabilistico della vulnerabilità del vortice polare, non un interruttore capace di determinare in modo univoco la comparsa di un SSW. Durante El Niño possono instaurarsi condizioni più favorevoli alla propagazione delle onde planetarie e a un vortice mediamente più debole, ma ciò non implica inevitabilmente un major warming. Allo stesso modo, La Niña può essere associata a un vortice medio più intenso senza impedire che una particolare configurazione troposferica generi un impulso ondulatorio sufficientemente forte da provocarne il collasso. Questa distinzione fra stato medio stagionale e probabilità dell’evento estremo è indispensabile per comprendere sia la letteratura osservativa sia la grande dispersione modellistica della Figura 7.
Nel complesso, la figura deve quindi essere interpretata come una verifica severa della robustezza della teleconnessione ENSO–SSW. Le rianalisi suggeriscono che gli SSW tendano a verificarsi più frequentemente durante El Niño rispetto agli inverni neutrali e Song e Son mostrano che questa caratteristica sopravvive a numerose definizioni osservazionali. Tuttavia, quando lo stesso problema viene trasferito ai dodici modelli high-top CMIP5, il segnale perde gran parte della propria coerenza: soltanto pochi modelli riproducono la relazione osservata, alcuni simulano un comportamento opposto e la media multimodello non evidenzia una dipendenza sistematica dalla fase ENSO. Il passaggio da U60 a U65 modifica sensibilmente alcuni risultati ma non elimina la dispersione, evidenziando contemporaneamente l’importanza della definizione diagnostica e delle differenze nella struttura latitudinale degli eventi.
La Figura 7 non dimostra dunque che ENSO sia irrilevante per la stratosfera; al contrario, mette in evidenza quanto sia difficile rappresentare correttamente nei modelli l’intera catena causale che collega le anomalie tropicali del Pacifico alla propagazione delle onde planetarie e alla destabilizzazione del vortice polare. La successiva migliore rappresentazione della climatologia degli SSW in CMIP6 e l’emergere in quei modelli di un lieve aumento della frequenza durante El Niño suggeriscono che i bias presenti nella generazione CMIP5 abbiano probabilmente contribuito alla mancanza di consenso visibile nella figura. Allo stesso tempo, la persistente dispersione ricorda che il problema non può essere ridotto al semplice miglioramento della risoluzione verticale. Per comprendere e prevedere la relazione ENSO–SSW è necessario rappresentare correttamente il Pacifico tropicale, le teleconnessioni extratropicali, il jet, le onde planetarie, lo stato climatologico del vortice e la loro interazione non lineare.
In questa prospettiva, la Figura 7 assume un valore metodologico più ampio: mostra perché l’analisi degli SSW non dovrebbe mai basarsi esclusivamente su una singola definizione o sulla sola media multimodello. Una valutazione robusta richiede il confronto tra differenti metriche degli eventi, lo studio delle onde planetarie e del flusso medio, l’esame dei bias climatologici di ciascun modello e il confronto sistematico con più rianalisi. Soltanto combinando queste informazioni è possibile stabilire se un modello produca una frequenza apparentemente realistica per le corrette ragioni dinamiche. È precisamente in questo senso che il risultato di Song e Son rimane scientificamente rilevante: l’incertezza nella relazione ENSO–SSW non è soltanto una questione statistica, ma riflette la complessità fisica di un sistema nel quale forzante tropicale, circolazione extratropicale, onde planetarie e vortice polare interagiscono attraverso molteplici scale spaziali e temporali. La Figura 7 rappresenta quindi non tanto una negazione della teleconnessione ENSO–stratosfera, quanto una dimostrazione dei requisiti estremamente stringenti che un modello climatico deve soddisfare per riprodurla correttamente.
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