Role of Planetary Waves in the Stratosphere-troposphere Coupled Variability in the Northern Hemisphere Winter

Ruolo delle Onde Planetarie nella Variabilità Accoppiata Stratosfera-Troposfera nell’Emisfero Nord durante l’Inverno
Yuhji Kuroda e Kunihiko Kodera
Dipartimento di Ricerca Climatica, Istituto di Ricerca Meteorologica, Tsukuba, Giappone
Abstract. Il ruolo delle onde planetarie nella variabilità accoppiata stratosfera-troposfera è indagato utilizzando un’analisi di decomposizione a valore singolare estesa del vento zonale medio zonale e della componente verticale del flusso di Eliassen-Palm (E-P) per gli inverni dal 1979/80 al 1995/96. I risultati suggeriscono una stretta relazione tra le anomalie del vento zonale medio zonale e la zona di convergenza del flusso E-P, che insieme si spostano verso il polo e verso il basso dalla stratosfera alla troposfera man mano che il tempo avanza. A seguito della propagazione verticale potenziata delle onde nella stratosfera, il modello dell’Oscillazione Artica (AO) è osservabile nel campo dell’altezza geopotenziale a 500 hPa in associazione con una maggiore propagazione verso il polo delle onde troposferiche.

1. Introduzione
Durante l’inverno nell’emisfero nord, le circolazioni stratosferiche e troposferiche sono strettamente accoppiate su scale temporali interstagionali e interannuali, come evidenziato da studi precedenti [ad esempio, Perlwitz et al., 1995; Kodera, 1995; Baldwin e Dunkerton, 1994]. La forza del getto polare notturno (o vortice polare) è fortemente correlata con la cosiddetta Oscillazione Artica, caratterizzata da un’altalena nell’altezza geopotenziale troposferica tra l’Artico e le medie latitudini [Thompson e Wallace, 1998]. Su scale temporali interstagionali, la propagazione verso il basso delle anomalie del vento zonale dalla stratosfera sembra produrre il segnale AO osservato nella troposfera [Kodera e Koide, 1997; Kodera et al., 1999; Baldwin e Dunkerton, 1999].

In generale, la stratosfera invernale è accoppiata con la troposfera attraverso l’interazione di onde che originano dalla troposfera e guidano una circolazione meridionale nella stratosfera [ad esempio, Haynes et al., 1991]. Nel caso dei riscaldamenti stratosferici improvvisi [Matsuno, 1971], il ruolo delle onde planetarie originarie della troposfera è chiaro; tuttavia, nel caso dell’AO, che evolve più lentamente, il ruolo delle onde planetarie nell’accoppiamento tra troposfera e stratosfera è molto meno chiaro [Thompson e Wallace, 1998]. Lo scopo del presente studio è chiarire il ruolo delle onde planetarie nella variabilità accoppiata stratosfera-troposfera, particolarmente nel contesto dell’AO.

2. Dati e Metodo di Analisi
I dati riguardanti la stratosfera e la troposfera utilizzati in questo studio sono stati aggiornati rispetto a precedenti lavori di Kuroda e Kodera [1998]. I dati originali provengono dall’analisi effettuata dal National Center for Environmental Prediction (NCEP)/Climate Prediction Center (CPC) degli Stati Uniti. I dati relativi alla troposfera fino a 100 hPa provengono dall’NCEP, mentre quelli stratosferici sono derivati dalle misurazioni satellitari dell’altezza geopotenziale effettuate dal CPC come documentato in studi precedenti. Tutti i calcoli si basano su misurazioni medie mensili, ad eccezione di quelli riguardanti i flussi di energia e l’attività delle onde, che sono calcolati su periodi medi di cinque giorni e successivamente mediati su base mensile. Gli inverni considerati per lo studio vanno dal 1979/80 al 1995/96.

Per identificare i modelli predominanti di variabilità tra due campi di dati, viene comunemente usata l’analisi della decomposizione a valore singolare (SVD). Nel nostro studio, che esamina un fenomeno in propagazione, si considera importante non solo la correlazione dei dati nello stesso momento, ma anche quella dei dati in momenti successivi. Per questo, si applica una tecnica avanzata di SVD, che estende l’analisi includendo dati di periodi successivi insieme ai dati originali. Questo metodo è una diretta estensione delle tecniche precedenti utilizzate per analizzare singoli campi di dati.

L’analisi nel presente studio si concentra sul vento zonale medio e sulle componenti verticali dei flussi energetici. La serie di dati considerata include misurazioni aggiunte fino a due mesi dopo il periodo iniziale. Dal momento che il focus principale è il periodo invernale, l’analisi delle varianze si basa su dati raccolti durante la stagione fredda, da novembre a febbraio. È importante notare che tutti i dati sono stati normalizzati rispetto alla loro varianza per gestire l’ampia gamma di livelli di pressione studiati. L’analisi di una grande matrice di varianze che include dati ritardati viene effettuata con un metodo efficiente sviluppato in precedenti ricerche.

3. Risultati
La frazione di covarianza quadrata della modalità SVD principale è del 42% ed è ben separata dalla seconda modalità (che spiega il 20%). Il coefficiente di correlazione tra i rispettivi coefficienti di espansione è 0,90. La SVD principale è mostrata nella Figura 1 come mappe di regressione eterogenea. I vettori del flusso E-P sono scalati per l’inverso della radice quadrata della pressione. I pannelli nella Figura 1 sono per ritardi di 0, 1 e 2 mesi (da sinistra a destra). Le regioni dove i coefficienti di correlazione superano il livello di significatività del 95% (0,34) sono ombreggiate.

Al ritardo 0 (Figura 1a), si osservano deboli anomalie negative nel vento zonale medio zonale nella stratosfera superiore a media latitudine vicino a 45°N. È evidenziato un flusso E-P potenziato diretto dalla troposfera ad alta latitudine verso un centro di anomalia negativa del vento zonale medio nella stratosfera superiore. Al ritardo 1 (Figura 1b), le anomalie negative dei venti zonali medi si amplificano spostandosi verso il polo e verso il basso. Insieme allo spostamento polare e verso il basso delle anomalie dei venti negativi, i vettori del flusso E-P sono diretti più verso il polo. Da notare anche che nella troposfera, la propagazione polare dell’attività ondulatoria aumenta. Al ritardo 2 (Figura 1c), le anomalie negative del vento zonale ad alte latitudini si spostano ulteriormente verso il basso nella troposfera, mentre contemporaneamente le anomalie positive a basse latitudini si estendono verso l’alto e verso il polo, coprendo quasi tutta la stratosfera superiore. Il flusso E-P anomalo diretto verso il basso nella regione polare indica un indebolimento dell’attività ondulatoria nella stratosfera. È da notare che la propagazione polare potenziata del flusso E-P nella troposfera vista al ritardo 1 persiste al ritardo 2.

Per indagare in modo più dettagliato l’evoluzione della circolazione troposferica, l’altezza geopotenziale a 500 hPa e il flusso di attività ondulatoria sono stati regrediti contro il coefficiente di espansione del vento zonale medio zonale della principale SVD (Figura 2). Da notare che il flusso di Plumb medio zonale è precisamente il flusso E-P mostrato nella Figura 1. Il nostro focus qui è sulle onde planetarie, pertanto il flusso di attività ondulatoria è calcolato dopo la troncatura al numero d’onda zonale cinque.

Al ritardo 0 (Figura 2a), si trovano centri di anomalie di altezza positivi e negativi nella parte settentrionale dell’Eurasia. La sezione trasversale longitudine-altezza del flusso di attività ondulatoria a 60°N (media tra 50°N-70°N) (Figura 3a) mostra che la propagazione verticale potenziata delle onde vista nella Figura 1a avviene su una regione piuttosto ristretta del settore eurasiatico, suggerendo che le anomalie di altezza a 500 hPa sul settore eurasiatico sono una fonte di potenziata attività delle onde planetarie. D’altra parte, le anomalie di altezza alle medie latitudini viste sul settore atlantico apparentemente non sono correlate alla propagazione verticale potenziata osservata.

Al ritardo 1 (Figura 2b), le anomalie dell’altezza geopotenziale diventano più simmetriche zonalmente. L’aumento dell’altezza geopotenziale sopra l’Artico e l’abbassamento alle medie latitudini è coerente con la formazione del pattern di dipolo meridionale di vento zonale anomalo mostrato nella Figura 1b. Questo pattern è molto simile al segnale AO a 500 hPa. L’abbassamento dell’altezza geopotenziale sopra il settore Atlantico e siberiano orientale, e l’aumento dell’altezza sopra l’Alaska corrispondono alla propagazione polare delle onde viste nella Figura 1b.

Al ritardo 2 (Figura 2c), il pattern dell’Oscillazione Nord Atlantica (NAO) diventa più prominente mentre la propagazione verso sud-est dell’attività ondulatoria diminuisce nel settore atlantico. La regressione dei dati filtrati nel tempo mostra che questa diminuzione corrisponde alla ridotta ampiezza delle onde ad alta frequenza.

La Figura 1 presenta una mappa di regressione eterogenea della modalità SVD principale tra il vento zonale medio zonale (rappresentato dalle linee di contorno) e la componente verticale del flusso E-P (rappresentato dai vettori). La componente meridionale del flusso E-P è stata costruita tramite regressione contro il coefficiente di espansione del vento zonale medio zonale. Le mappe sono presentate per tre distinti ritardi temporali: 0 mesi (pannello a), 1 mese (pannello b) e 2 mesi (pannello c).

Dettagli Specifici:

• Linee di Contorno: Rappresentano la velocità del vento zonale medio zonale, con un intervallo di contorno di 2 m/s. Le linee tratteggiate indicano valori negativi, mentre la linea continua sottile indica la linea di contorno zero.
• Vettori: Mostrano la direzione e l’intensità della componente verticale del flusso E-P, scalata per l’inverso della radice quadrata della pressione. I vettori più piccoli non sono rappresentati.
• Ombreggiatura: Denota le regioni in cui la correlazione eterogenea dei venti zonali è statisticamente significativa al 95%.

Interpretazione dei Pannelli:

• Pannello a (Lag 0): Mostra le condizioni iniziali senza ritardi. Le anomalie nei venti zonali e la direzione dei flussi E-P sono visualizzate nella loro configurazione di partenza.
• Pannello b (Lag 1 mese): Illustra come l’attività dei venti zonali e i flussi E-P cambiano dopo un mese. Qui potresti osservare variazioni nella direzione dei flussi o nelle intensità delle anomalie del vento.
• Pannello c (Lag 2 mesi): Fornisce un’ulteriore evoluzione delle dinamiche in esame, mostrando le modifiche a due mesi di distanza.

Questi pannelli aiutano a comprendere come la propagazione verticale delle onde planetarie (indicata dai flussi E-P) e le velocità dei venti zonali si influenzano reciprocamente nel corso del tempo, con particolare attenzione alle loro dinamiche temporali.

La Figura 2 è organizzata in modo simile alla Figura 1, ma si concentra sull’altezza geopotenziale a 500 hPa (rappresentata dalle linee di contorno) e sul flusso di attività ondulatoria (rappresentato dai vettori). Le mappe sono disposte in pannelli che corrispondono a tre ritardi temporali: 0 mesi (pannello a), 1 mese (pannello b) e 2 mesi (pannello c), enfatizzando le dinamiche a un diverso livello di pressione.

Dettagli Specifici:

• Linee di Contorno: Mostrano l’altezza geopotenziale a 500 hPa, con un intervallo di contorno di 15 m. Queste linee rappresentano le variazioni altimetriche nell’atmosfera.
• Vettori: Indicano la direzione e intensità del flusso di attività ondulatoria, che mostra il movimento delle onde atmosferiche attraverso il globo a questo specifico livello di pressione.
• Cerchi Latitudinali: Le latitudini di 60°N e 30°N sono evidenziate per aiutare a orientarsi rispetto a specifici riferimenti geografici.

Interpretazione dei Pannelli:

• Pannello a (Lag 0): Offre una visione delle condizioni iniziali delle altezze geopotenziali e del movimento ondulatorio, senza ritardi, mostrando la configurazione iniziale.
• Pannello b (Lag 1 mese): Illustra come le altezze e i flussi cambiano dopo un mese, evidenziando le variazioni nella distribuzione e intensità delle altezze geopotenziali e la risposta dei flussi di onde.
• Pannello c (Lag 2 mesi): Mostra ulteriori sviluppi e modifiche delle altezze e dei flussi dopo due mesi.

La Figura 2 fornisce una visione dettagliata delle dinamiche atmosferiche a 500 hPa e della loro evoluzione nel tempo, mettendo in luce l’interazione tra la struttura dell’atmosfera e le onde planetarie in termini di altezza e movimenti ondulatori, cruciali per comprendere le variazioni meteorologiche e climatiche a medie e alte latitudini.

La Figura 3 illustra il flusso di attività delle onde di Plumb mediato intorno a 60°N, simile a quanto visto nella Figura 1a, ma focalizzato su una latitudine specifica. Questa visualizzazione dettagliata evidenzia la dinamica delle onde atmosferiche a questa latitudine.

Dettagli Specifici:

• Frecce: Mostrano le componenti verticali e zonali del flusso di attività delle onde, indicando la direzione e l’intensità del flusso di energia delle onde.
• Linee di Contorno: Rappresentano la componente meridionale del flusso, con intervalli di contorno di 15 unità relative, facilitando la visualizzazione della distribuzione latitudinale del movimento delle onde.
• Linea Contorno Zero: Una linea sottile continua che indica dove la componente meridionale del flusso è zero, distinguendo le aree di flusso meridionale positivo e negativo.
• Scala delle Frecce: L’arco in basso a destra, che corrisponde a un valore di 30 unità relative, serve come riferimento per la grandezza delle altre frecce nella figura.

Interpretazione:

La Figura 3 è utile per analizzare come le onde atmosferiche si muovano e interagiscano a circa 60°N. Le frecce illustrano un movimento predominante delle onde in direzioni verticali e zonali, mentre le linee di contorno aggiungono dettagli sul modo in cui il movimento meridionale delle onde varia con la longitudine. Questo schema di flusso può indicare regioni di maggiore instabilità atmosferica o aree dove le onde sono particolarmente intense o deboli.

In sintesi, la Figura 3 fornisce una visione chiara e dettagliata dell’attività delle onde a una latitudine significativa, essenziale per comprendere fenomeni atmosferici come i riscaldamenti stratosferici improvvisi o altri eventi dinamici di larga scala.

4. Discussione e osservazioni conclusive
È stata condotta un’analisi E-SVD tra il vento zonale medio zonale e la componente verticale del flusso E-P per il periodo dal 1979/80 al 1995/96. Per esaminare la stabilità della modalità SVD principale, analisi simili sono state ripetute dividendo i dati in due parti. Tuttavia, le caratteristiche dell’evoluzione del vento zonale medio zonale e del flusso E-P descritte sopra sono conservate. Consideriamo quindi che l’analisi attuale rappresenti la modalità naturale di variabilità nell’atmosfera.

La SVD principale mostra una propagazione polare e verso il basso delle anomalie del vento zonale medio zonale insieme ai vettori del flusso E-P anomali diretti verso le anomalie negative del vento zonale medio zonale (Figura 1). Per indagare una relazione più stretta tra il vento zonale medio zonale e l’attività delle onde, è stata condotta un’analisi E-SVD utilizzando dati medi di pentadi (media di 5 giorni). Similmente al caso della media mensile, è stata calcolata una matrice di correlazione sfasata utilizzando dati appartenenti alla stagione fredda (novembre a febbraio). La SVD principale dell’analisi attuale include 18 componenti di ritardi da 0 a 17 pentadi. I modelli di regressione dei dati medi mensili nelle Figure 1a, 1b e 1c dovrebbero corrispondere a quelli dei ritardi di 3, 9, 15 pentadi mostrati nei pannelli superiori nelle Figure 4a, 4b e 4c, rispettivamente. È facilmente osservabile che un modello di regressione quasi identico è riprodotto con dati medi di 5 giorni. Nella Figura 4, la tendenza del vento zonale medio zonale (du/dt) e l’accelerazione dovuta alla divergenza del flusso E-P (DF) calcolate dai campi di regressione sono mostrate anche nei pannelli centrali e inferiori, rispettivamente. La somiglianza dei modelli tra du/dt e DF suggerisce fortemente che questa modalità di variabilità sia prodotta attraverso l’interazione onda-flusso medio.

Un modello AO è evidente durante la seconda e terza fase della nostra analisi. Tuttavia, se si indaga l’attività delle onde solo durante questo periodo, il ruolo della propagazione verticale del flusso E-P anomalo diventa poco chiaro perché i flussi E-P anomali sono diretti verso l’alto (Figura 1b) per un periodo, ma verso il basso (Figura 1c) per l’altro periodo. In realtà, la propagazione verticale delle onde avviene prima della formazione del modello AO. Una coppia di anomalie dell’altezza geopotenziale sopra il settore eurasiatico è associata alla propagazione verticale delle onde ed è diversa dal modello AO (Figura 1a). È interessante esaminare perché la propagazione verticale potenziata delle onde avviene sopra il settore siberiano nella prima fase.

Il modello AO, caratterizzato da un’altalena nell’altezza geopotenziale a 500 hPa tra l’Artico e le medie latitudini, appare (Figure 2b e 2c) quando si forma un’anomalia di dipolo meridionale nel vento zonale medio zonale nella troposfera insieme a un flusso E-P anomalo diretto verso il polo (Figure 1b e 1c). Le anomalie regionali dell’altezza geopotenziale nelle medie latitudini sembrano correlate ai cambiamenti nella propagazione meridionale delle onde troposferiche [Kodera et al., 1996]. Si dovrebbe notare che la convergenza del flusso E-P nell’Artico tende a mantenere il modello di altalena meridionale dell’AO. La propagazione polare del flusso E-P anomalo è osservata anche ai ritardi 1 e 2, anche se la forza del getto polare notturno stratosferico inferiore e la propagazione verticale delle onde sono cambiate, suggerendo che la struttura del vento zonale anomalo è sostenuta dai processi troposferici.

Il modello di altezza geopotenziale osservato sopra la regione atlantica (Figura 2c) mostra una struttura più simile alla NAO al ritardo 2, e la diminuzione della propagazione verso est delle attività delle onde quasi stazionarie suggerisce un possibile ruolo dell’attività delle eddy transitorie nel mantenere le anomalie del vento zonale troposferico. Questo dovrebbe essere verificato in uno studio futuro.

Per concludere, si osserva che la modalità di variabilità accoppiata stratosfera-troposfera vista qui ha un’ampia ampiezza durante l’inverno quando si verificano i principali riscaldamenti stratosferici. La relazione tra i riscaldamenti stratosferici improvvisi e le anomalie del vento zonale lentamente evolutive studiate qui sarà trattata in un articolo separato.

La Figura 4 offre una visualizzazione dettagliata che suddivide l’analisi in tre parti, basata sui dati medi di pentadi (periodi di 5 giorni) e concentrandosi sui ritardi specifici nelle componenti delle onde come rilevato dall’E-SVD.

Dettagli Specifici:

• Pannelli superiori (U): Mostrano le mappe di regressione del vento zonale medio zonale basate sui dati medi di pentadi. I pannelli (a), (b) e (c) rappresentano rispettivamente i componenti ai ritardi di 3, 9, e 15 pentadi. I contorni indicano la velocità del vento zonale medio, con un intervallo di contorno di 2 m/s. Le aree ombreggiate indicano valori negativi.
• Pannelli centrali (dU/dt): Illustrano la tendenza del vento zonale medio zonale, con un intervallo di contorno di 0.2 m/s al giorno. Questi pannelli mostrano come il vento zonale medio zonale cambia nel tempo, fornendo indicazioni su accelerazioni o decelerazioni nelle regioni specifiche.
• Pannelli inferiori (DF): Rappresentano la divergenza del flusso E-P, con un intervallo di contorno di 1 m/s al giorno. Questi contorni mostrano dove il flusso E-P sta aumentando o diminuendo, suggerendo regioni di maggiore o minore interazione tra le onde e il flusso medio.

Interpretazione:

• I pannelli superiori dimostrano come il vento zonale medio si comporta a diversi ritardi temporali dopo aver calcolato i dati medi per pentadi, offrendo una visione di come le condizioni iniziali si evolvano nel tempo.
• I pannelli centrali sono cruciali per capire le variazioni nel tempo del vento zonale, indicando le aree di maggiore instabilità o cambiamento.
• I pannelli inferiori evidenziano le aree dove il flusso E-P contribuisce alla dinamica del vento, con aree di convergenza che potrebbero indicare una stabilizzazione del flusso e aree di divergenza che potrebbero suggerire un’intensificazione dei fenomeni meteorologici.

Complessivamente, la Figura 4 è utile per osservare come le interazioni tra le onde e il flusso zonale medio si manifestano nel corso del tempo e come questi cambiamenti possano essere collegati a fenomeni atmosferici più larghi come il riscaldamento stratosferico o la formazione di modelli persistenti come l’AO e la NAO.

https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1029/1999GL900507