Role of the QBO in modulating the influence of the 11 year solarcycle on the atmosphere using constant forcings

Ruolo dell’Oscillazione Quasi-Biennale nella Modulazione dell’Influenza del Ciclo Solare di 11 Anni sull’Atmosfera Utilizzando Forzature Costanti

In questo studio, presentiamo i risultati di sei esperimenti della durata di 20 anni ciascuno, utilizzando un modello climatico chimico all’avanguardia che copre l’atmosfera dalla superficie fino alla bassa termosfera. L’indagine si concentra sulla risposta della media atmosfera al ciclo solare di 11 anni, il suo impatto sulla troposfera e, in particolare, sull’effetto di un’oscillazione quasi-biennale stratosferica (QBO) definita esternamente. Gli esperimenti sono stati condotti con il Modello Climatico della Comunità dell’Intera Atmosfera (WACCM3) del NCAR, utilizzando input di ciclo solare fissi, o una combinazione di ciclo solare fisso con una fase QBO prescritta.

I risultati dimostrano che la risposta media annuale del sistema climatico in termini di temperatura e ozono nella stratosfera superiore è coerente con altre ricerche modellistiche e osservative, e risulta indipendente dalla presenza del QBO impostato. Tuttavia, emergono differenze significative nella risposta solare nelle regioni medio-inferiori della stratosfera a seconda delle fasi del QBO. Durante i picchi del ciclo solare, si osserva una circolazione di Brewer-Dobson più debole con relativa subsidenza, riscaldamento e aumento dell’ozono nella stratosfera inferiore tropicale durante le condizioni QBO est. Al contrario, si registra una circolazione più intensa con raffreddamento e riduzione dell’ozono durante le condizioni QBO ovest. L’incremento netto dell’ozono durante la fase QBO est è attribuibile sia alla produzione che all’avvezione, mentre nella fase QBO ovest, questi effetti si compensano, portando a minimi cambiamenti netti dell’ozono.

In particolare, durante il tardo inverno e l’inizio della primavera nell’emisfero sud, la risposta solare alle latitudini polari mostra una variazione di segno tra le due fasi del QBO, confermando qualitativamente sia le osservazioni sia altri recenti studi modellistici. Viene evidenziata una modulazione verso il basso e verso i poli del getto notturno polare, accompagnata da una modulazione temporale della circolazione di Brewer-Dobson, con segnali solari che si estendono fino alla troposfera extratropicale. L’articolo conclude discutendo le potenziali limitazioni degli esperimenti del modello legate alle condizioni fisse del ciclo solare, alle fasi prescritte del QBO e alle temperature costanti delle superfici marine.

Introduzione

[2] Ricerche osservative e modellistiche condotte fin dagli anni ’80 hanno dimostrato che il ciclo solare di 11 anni influisce sulla composizione chimica, sulle dinamiche e sulle caratteristiche termiche dell’atmosfera [es., Gray et al., 2010]. Le variazioni radiative dirette nella stratosfera superiore possono indurre modifiche dinamiche in tutto l’ambiente atmosferico [Kodera e Kuroda, 2002; Matthes et al., 2003, 2004, 2006]. Questi studi sono principalmente volti a decifrare il meccanismo tramite il quale l’attività solare modula il clima terrestre. Uno degli aspetti più sfidanti di questa tematica riguarda il ruolo dell’oscillazione quasi-biennale (QBO) nei venti zonali stratosferici equatoriali, e il suo impatto sulla risposta atmosferica ai cicli solari.

[3] Nel corso delle loro analisi, Labitzke e van Loon hanno più volte evidenziato l’importanza di analizzare i dati atmosferici segmentandoli in base alla fase della QBO nei periodi invernali [Labitzke, 1987; Labitzke e Van Loon, 1988; van Loon e Labitzke, 2000; Labitzke, 2001; Labitzke et al., 2006], così come nei periodi estivi [Labitzke, 2003, 2005], per poter isolare il segnale solare. Questi studiosi hanno confermato la cosiddetta relazione di Holton e Tan solamente durante i minimi solari, notando che gli inverni in fase QBO ovest risultano freddi e stabili, mentre quelli in fase QBO est sono caldi e turbolenti [Holton e Tan, 1980, 1982]. Hanno osservato una inversione di questa relazione durante i massimi solari [Labitzke, 1987; Labitzke e Van Loon, 1988]. La distinzione tra i segnali solari e QBO si complica a causa della brevità dei set di dati disponibili, che coprono solo due o tre cicli solari completi, e per le loro interazioni non lineari. Questa difficoltà è acuita dall’incapacità di molti modelli di circolazione atmosferica di simulare una QBO coerente, limitando così la capacità di esplorare accuratamente i fenomeni osservati attraverso la modellazione.

[4] Molti studi, tra cui quelli di Labitzke e van Loon, si sono concentrati sull’impatto della fase del ciclo solare e della QBO sulla circolazione atmosferica del tardo inverno nell’emisfero nord, ovvero gennaio e febbraio. Salby e Callaghan [2000, 2006] hanno confermato la relazione tra QBO e ciclo solare di Labitzke e van Loon durante l’inverno, sottolineando anche la significatività statistica dei risultati [Salby e Callaghan, 2004]. Camp e Tung [2007] hanno osservato che lo stato atmosferico meno perturbato si verifica durante il minimo solare e la fase QBO ovest, e che il massimo solare o la fase QBO est possono alterare questo equilibrio, in linea con quanto osservato da Labitzke e van Loon. Tuttavia, non sono riusciti a confermare l’inversione del meccanismo di Holton e Tan durante i massimi solari come precedentemente notato da Labitzke e Van Loon [1988].

Gray et al. [2001a, 2001b] e Gray [2003] evidenziano l’importanza cruciale dei venti nella stratosfera superiore per l’evoluzione dell’inverno nell’emisfero settentrionale (NH). Gran parte di questi studi si è focalizzata sugli effetti della stratosfera equatoriale sulla circolazione stratosferica polare. Negli ultimi anni, tuttavia, si è osservato un crescente interesse verso l’impatto di questi fenomeni sulla circolazione meridiana media globale. Tra il 1948 e il 2006, nelle ri-analisi NCEP/NCAR, si sono evidenziate inversioni dei segnali della risposta solare a latitudini alte e basse durante le due fasi del QBO [Labitzke et al., 2006]. Specificamente, a febbraio, durante la fase QBO ovest e il massimo solare, si registrano anomalie di temperatura di +12 K alle latitudini polari settentrionali nella bassa stratosfera e di oltre -0.5 K nei Tropici. Durante la fase QBO est, si registrano -4 K alle latitudini polari settentrionali e più di +1 K alle latitudini tropicali [Labitzke et al., 2006]. La mancanza di una QBO generata internamente nella maggior parte dei modelli atmosferici globali ha limitato lo studio dell’influenza solare sul QBO nella modellazione precedente. In questo lavoro, imponiamo esplicitamente il QBO per verificare le relazioni solari-QBO osservate.

Altri studi hanno documentato una modulazione del QBO indotta dal ciclo solare, osservando che durante i massimi solari la circolazione del QBO è più intensa, mentre durante i minimi solari è più debole [Salby e Callaghan, 2000; Soukharev e Hood, 2001]. Hamilton [2002], utilizzando un set di dati esteso a 50 anni, non ha trovato conferme di questa modulazione. Similmente, la modulazione del periodo del QBO correlata al ciclo solare, modellata in un sistema bidimensionale (2-D) [McCormack, 2003], non ha trovato conferma in un successivo modello 2-D [Smith e Matthes, 2008]. È importante notare che le modulazioni della fase del QBO indotte dal ciclo solare non possono essere testate mediante gli esperimenti di modello idealizzati presentati, nei quali il QBO è prescritto artificialmente.

Infine, il segnale solare medio annuo osservato in termini di temperatura e ozono nei tropici presenta una struttura verticale caratteristica, con un picco nella stratosfera superiore, un minimo relativo nella stratosfera media e un secondo picco nella stratosfera inferiore [Gray et al., 2010].

Nelle regioni della stratosfera tropicale superiore e inferiore, i segnali solari sono ben evidenziati e significativi, mentre la stratosfera media mostra maggiori incertezze. Durante il massimo solare, le temperature aumentano di 1 a 1,5 K nella stratosfera superiore e di 0,5 K nella stratosfera inferiore, come documentato da Randel et al. [2009] e Frame e Gray [2010].

[7] Nonostante le ampie incertezze e le discrepanze tra i diversi dataset di temperature, l’incremento dell’ozono indotto dall’attività solare è più coerente. Analisi satellitari indipendenti mostrano un aumento dell’ozono del 2%-4% durante i massimi solari nella stratosfera superiore oltre i 40 km alle medie latitudini, una riduzione non significativa tra i 30 e i 40 km nelle bassi latitudini e un aumento secondario del 1,5%-3% intorno ai 25 km nella stratosfera equatoriale inferiore [Lee e Smith, 2003; Hood, 2004; Soukharev e Hood, 2006; Calisesi e Matthes, 2006; Randel e Wu, 2007; Gray et al., 2010].

[8] Le incertezze riguardanti il segnale solare nelle regioni medio e basse della stratosfera potrebbero essere attribuite a effetti di aliasing con il QBO e segnali vulcanici [es. Lee e Smith, 2003; Smith e Matthes, 2008], o con le temperature superficiali del mare (SST) tropicali [Austin et al., 2008] e fenomeni come l’ENSO [Marsh e Garcia, 2007]. È importante sottolineare che negli esperimenti presentati, gli effetti dell’ENSO sono esclusi, utilizzando SST climatologiche costanti, così come vengono esclusi i segnali vulcanici per isolare la relazione pura tra il sole e il QBO.

[9] Recenti miglioramenti hanno ridotto le discrepanze tra i modelli di simulazione e le osservazioni riguardanti la struttura verticale del segnale dell’ozono solare tropicale, come indicato dall’Organizzazione Meteorologica Mondiale [2007]. Studi recenti di Austin et al. [2007, 2008] dimostrano che diversi modelli climatico-chimici riproducono una struttura verticale del segnale solare simile a quella osservata, confermando i risultati di Soukharev e Hood [2006].

Queste simulazioni dei modelli climatici chimici (CCM) coprono il periodo recente passato (1980-2000) e sono parte dell’iniziativa SPARC CCMVal-1 [Eyring et al., 2005]. Esse includono variazioni del ciclo solare, temperature superficiali del mare (SST) osservate e variabili, eruzioni vulcaniche, e l’effetto dell’incremento dei gas serra. Alcuni modelli CCM comprendono anche un’oscillazione quasi-biennale (QBO) generata internamente. Austin et al. [2008] hanno esplorato l’influenza delle variazioni temporali del ciclo solare e delle SST per un miglior allineamento con le osservazioni, ma non hanno identificato un legame significativo con la presenza del QBO. Allo stesso modo, simulazioni recenti con CCM che riproducono la struttura verticale osservata nella stratosfera tropicale includono un QBO prescritto e SST fisse [Matthes et al., 2007], oppure un ciclo solare fisso con o senza QBO generato internamente [Schmidt et al., 2010]. La ragione della specifica struttura verticale del segnale solare rimane incerta, sia che essa derivi da interazioni non lineari o da interferenze con altri segnali come il QBO o le SST tropicali. Comunemente, le analisi dei dati recenti dei CCM utilizzano la regressione lineare multipla (MLR), la quale può fallire nell’attribuire correttamente la varianza ai predittori, specialmente se questi sono correlati spuriosamente in serie temporali brevi [cfr. Marsh e Garcia, 2007].

Sebbene ci sia un consenso generale sul segnale del ciclo solare tropicale, la risposta alle alte latitudini rimane poco compresa. Precedenti studi con modelli di circolazione generale (GCM) che calcolavano offline le variazioni dell’ozono non sono riusciti a rappresentare i meccanismi di feedback dinamico associati al ciclo solare, quali la modulazione del getto polare notturno (PNJ) e la circolazione di Brewer-Dobson (BDC) [Matthes et al., 2003]. Matthes et al. [2004, 2006] hanno ottenuto una parziale simulazione della propagazione verso il polo e verso il basso delle anomalie dei venti zonali durante l’inverno dell’emisfero nord, così come risposte significative nella bassa stratosfera e nella troposfera, modulando i venti stratosferici tropicali a costante QBO est o ovest.

L’obiettivo di questo articolo è esaminare il segnale solare nell’atmosfera usando un modello climatico-chimico all’avanguardia, con particolare attenzione al ruolo del QBO nella modulazione del segnale solare nelle zone stratosferiche tropicale ed extratropicale. Questo viene realizzato attraverso l’analisi di risultati da calcoli modello idealizzati, dove sono state implementate condizioni di ciclo solare fisse, con o senza fasi QBO impostate. Il segnale solare medio annuo in temperatura e ozono nelle due diverse fasi del QBO è analizzato dettagliatamente, con particolare enfasi sul bilancio dell’ozono (Sezione 4), mentre alcuni segnali extratropicali e gli impatti sulla troposfera sono discussi nella Sezione 5. I risultati sono discussi e riassunti nella Sezione 6, e le conclusioni sono presentate nella Sezione 7.

Descrizione del Modello

[12] Il Whole Atmosphere Community Climate Model, Versione 3 (WACCM3), sviluppato dal National Center for Atmospheric Research (NCAR), è un modello climatico chimico completamente interattivo (CCM) che si estende dalla superficie terrestre fino alla termosfera (circa 140 km) [Garcia et al., 2007]. WACCM3 è un’estensione del Community Atmospheric Model, Versione 3 (CAM3), e incorpora tutte le parametrizzazioni fisiche di CAM3 [Collins et al., 2006]. Include un modello dettagliato di chimica neutra per la media atmosfera basato sul Model for Ozone and Related Chemical Tracers, Versione 3 (MOZART3). Questo meccanismo modella i processi chimici e fisici dalla troposfera alla bassa termosfera, coinvolgendo specie chimiche appartenenti alle famiglie di Ox, NOx, HOx, ClOx e BrOx, oltre a CH₄ e ai suoi prodotti di degradazione [Kinnison et al., 2007]. I gas radiativamente attivi (CO₂, H₂O, N₂O, CH₄, CFC-11, CFC-12, NO, O₃) influenzano i tassi di riscaldamento e raffreddamento, e quindi la dinamica atmosferica. Ulteriori processi descritti includono il riscaldamento dovuto a reazioni chimiche, un modello di chimica ionica per la mesosfera/bassa termosfera (MLT) [Roble, 1995], il drag ionico e i processi aurorali [Roble e Ridley, 1987], e le parametrizzazioni delle radiazioni EUV e NLTE a onde lunghe [Solomon e Qian, 2005; Fomichev et al., 1998]. La risoluzione orizzontale utilizzata in questo studio è di 1,9° in latitudine e 2,5° in longitudine.

3. Progettazione Sperimentale

[13] Per condurre simulazioni con il modello WACCM in condizioni solari costanti, sono stati selezionati valori fissi di 210 unità di flusso per il flusso radio di 10.7 cm (f10.7) e un indice Kp di 4 per il massimo solare. Per il minimo solare, sono stati utilizzati 77 unità per f10.7 e 2.7 per l’indice Kp. L’indice Kp misura le perturbazioni del campo geomagnetico dovute alla precipitazione di particelle solari, rappresentando quindi l’effetto delle particelle solari nel modello, incluso l’evento delle aurore. Dettagli sulle modifiche della radiazione per adattarsi alla variabilità solare, ai cambiamenti nel meccanismo di fotolisi e alle interazioni di ionizzazione e particelle energetiche sono esaminati in Marsh et al. [2007].

3.1 Regolazione dei Venti Equatoriali

[14] A differenza di molti GCM, WACCM non riesce a riprodurre un QBO realistico; mostra piuttosto correnti orientali deboli nella stratosfera equatoriale inferiore (come discusso nella sezione 3.1.2, Figura 2). Studi precedenti hanno dimostrato che un QBO realistico può essere simulato integrando una parametrizzazione delle onde gravitazionali, assieme a una risoluzione spaziale adeguata e una rappresentazione realistica della convezione tropicale [es., Scaife et al., 2000; Giorgetta et al., 2002; Shibata e Deushi, 2005; Giorgetta et al., 2006].

[15] WACCM è tuttavia capace di simulare le caratteristiche principali dell’oscillazione semestrale stratosferica (SAO) mediante le onde di gravità parametrizzate. Tuttavia, le correnti orientali della SAO risultano leggermente più intense rispetto alle osservazioni e le correnti occidentali non si estendono verso il basso tanto quanto osservato nei dati reali.

3.1.1. Procedura di Rilassamento del QBO

[16] Per esplorare l’interazione tra il QBO/SAO e il ciclo solare durante il periodo invernale, i venti zonali equatoriali nel modello sono stati adeguati verso configurazioni idealizzate. Queste configurazioni sono state create selezionando e mediando due sequenze tipiche di 28 mesi, rappresentative, estratte dai dati di rocketsonde [Gray et al., 2001b]. Per eliminare il SAO (generato nel WACCM dalle onde di gravità parametrizzate), i dati sono stati prima desezionalizzati rimuovendo le medie mensili a lungo termine da ciascun mese. Successivamente, per mantenere l’asimmetria tra le fasi est e ovest del QBO, è stata aggiunta nuovamente la media annuale a lungo termine. Un’analisi spettrale della serie temporale di rocketsonde ha evidenziato che la frequenza predominante del QBO è circa di 28 mesi, come confermato anche da Pascoe et al. [2005]. Nell’ambito di questo studio, sono stati selezionati due profili di questa sequenza di 28 mesi: uno per i venti QBO est nella bassa stratosfera equatoriale con un’inversione del vento al livello di 10 hPa o superiore (tipicamente osservata a 10 hPa/32 km) e l’altro per i venti QBO ovest (Figura 1).

[17] Il metodo di rilassamento dei venti zonali medi si basa su Balachandran e Rind [1995] ed è stato precedentemente implementato nel Freie Universität Berlin Climate Middle Atmosphere Model (FUB-CMAM) [Matthes et al., 2004]. Questo procedimento si estende in latitudine da 22°N a 22°S, diminuendo con una distribuzione gaussiana con una larghezza alla metà di 10° centrata sull’equatore. Il completo rilassamento verticale copre un intervallo di altezza da 86 a 4 hPa, con una costante di tempo di 10 giorni. Al livello modello immediatamente inferiore e superiore a questo intervallo, l’intensità del rilassamento è ridotta a metà, e viene annullata per tutti gli altri livelli. Questa tecnica costringe i venti equatoriali verso valori più realistici, pur permettendo alle onde risolte e parametrizzate di propagarsi liberamente. L’espansione di questo rilassamento a quote superiori è stata esaminata ma scartata perché interferiva eccessivamente con il SAO parametrizzato.

3.1.2. Effetti del Rilassamento del QBO

[18] Il rilassamento del QBO nella stratosfera influisce sullo sviluppo dell’oscillazione semestrale (SAO) filtrando le onde di gravità parametrizzate e quelle risolte [es., Garcia e Sassi, 1999]. L’evoluzione annuale dei venti equatoriali climatologici prima e dopo il rilassamento è illustrata nelle Figure 2a–2c. La Figura 2a mostra il caso medio del modello per l’esperimento di minimo solare, con deboli venti orientali nella stratosfera inferiore e l’SAO nella stratosfera superiore. Rispetto alle osservazioni [es., Pascoe et al., 2005, Figura 2], i massimi venti orientali sono troppo forti (circa -60 m/s nel modello contro -42 m/s nelle osservazioni) e non viene catturata l’asimmetria tra i venti orientali più forti di gennaio e quelli più deboli di luglio. L’ampiezza dei massimi venti occidentali è ben rappresentata dal modello, sebbene non si riscontri asimmetria tra i massimi di primavera e autunno. In generale, l’SAO nel modello si verifica a un’altitudine troppo elevata rispetto alle osservazioni; in particolare, i venti occidentali non scendono abbastanza nella stratosfera superiore. Le Figure 2b e 2c mostrano il QBO est e ovest medio nella stratosfera inferiore con una zona di taglio sopra e l’SAO nella stratosfera superiore/mesosfera inferiore. L’asimmetria tra QBO est (-30 m/s) e ovest (+15 m/s) nella stratosfera inferiore è ben riprodotta rilassando i venti zonali del modello verso i valori osservati. Attraverso l’incorporazione del QBO nella stratosfera inferiore, la fase occidentale dell’SAO è spostata ulteriormente verso l’alto. Nel caso del QBO est, i venti occidentali e orientali dell’SAO sono più forti rispetto al caso normale (Figura 2a). Per il QBO ovest, le onde di gravità tendono a rompersi ancora più in alto e i venti orientali dominano la stratosfera superiore. È importante notare che lo spettro delle onde di gravità non è stato aggiustato dopo l’aggiunta del QBO per permettere un confronto con le corse di controllo esistenti.

La Figura 1 illustra i profili medi dei venti equatoriali per il QBO ovest (linea continua) e QBO est (linea tratteggiata), derivati dai dati di rocketsonde citati in Gray et al. [2001b]. Questi profili sono stati impiegati per calibrare il vento zonale medio del modello nella stratosfera equatoriale secondo un QBO idealizzato, come dettagliato nella sezione 3.1.1.

L’asse verticale della figura rappresenta la pressione atmosferica in hPa (ettapascal), che varia da circa 100 hPa fino a 10 hPa, indicando un aumento di altitudine. L’asse orizzontale misura la velocità del vento in metri al secondo (m/s), estendendosi da -40 m/s a +20 m/s.

I dettagli dei due profili di vento mostrati sono:

• QBO ovest (linea continua): evidenzia come la velocità del vento varia con l’altitudine durante la fase ovest del QBO. In questa fase, i venti raggiungono una velocità massima negativa di circa -30 m/s a una pressione di circa 20-30 hPa, per poi diminuire gradualmente man mano che si procede verso altitudini superiori.
• QBO est (linea tratteggiata): in questa fase, i venti presentano una velocità generalmente inferiore e meno variabilità con l’altitudine, avvicinandosi a velocità prossime allo zero a pressioni intorno ai 10 hPa.

Questa visualizzazione è fondamentale per comprendere come il modello simula i comportamenti dei venti nella stratosfera equatoriale, essenziali per analizzare l’impatto del QBO sul modello climatico globale.

3.2 Integrazioni del Modello

[19] Sono stati eseguiti sei corse di modello di equilibrio di 20 anni ciascuna con WACCM3, impiegando le variazioni descritte relative all’irraggiamento solare sotto condizioni costanti di massimo e minimo solare, con e senza le condizioni prescritte del QBO est o ovest nella stratosfera equatoriale inferiore (vedi Tabella 1). Tutti gli esperimenti sono stati condotti includendo un ciclo annuale e diurno, mantenendo costanti le condizioni dei gas serra (GHG) del 1995, e presentavano un ciclo stagionale climatologico ripetuto nelle temperature superficiali del mare (SST); di conseguenza, gli effetti del feedback oceano-atmosfera e l’incremento delle concentrazioni di GHG sono stati omessi. Questi esperimenti, non includendo un ciclo solare di 11 anni o un QBO realistici e variabili nel tempo, risultano essere piuttosto idealizzati, simili ad altri studi sull’influenza del ciclo solare. L’ozono, calcolato interattivamente in WACCM3, e il bilancio dell’ozono per le due fasi del QBO sono analizzati dettagliatamente, rappresentando una novità rispetto agli studi precedenti.

4. Media Annuale della Temperatura e dell’Ozono

[20] In questa sezione, presentiamo prima la risposta media annuale al ciclo solare per tutti gli esperimenti (Tabella 1), sia sotto condizioni fisse di ciclo solare che con l’aggiunta di fasi QBO fisse. Partiamo dal segnale tropicale, focalizzandoci sul ruolo del QBO nella risposta solare nella stratosfera. Successivamente, discutiamo l’evoluzione stagionale del segnale tropicale e dei suoi correlati extratropicali. Vengono anche esplorate le possibili implicazioni per la circolazione troposferica. Tutte le differenze tra i massimi e i minimi solari si basano su dati medi mensili, aggregati su 20 anni di modello. Le significanze statistiche sono calcolate utilizzando un test t di Student a due code.

La Figura 2 illustra la media mensile ventennale del vento zonale equatoriale nella stratosfera equatoriale inferiore, misurata tra i 2.8°S e i 2.8°N, per l’arco dell’anno da gennaio a dicembre. Le tre parti della figura (a, b, c) rappresentano diverse configurazioni del modello sotto condizioni di minimo solare:

• (a) min: Questa parte mostra la configurazione base del modello durante il minimo solare, senza ulteriori modifiche.
• (b) minE: Questa configurazione rappresenta il minimo solare con la fase QBO est impostata.
• (c) minW: Questa parte mostra il minimo solare con la fase QBO ovest imposta.

Sull’asse verticale di ogni grafico è rappresentata la pressione in hPa (ettapascal), visualizzata su una scala logaritmica che riflette l’altitudine—valori minori indicano altitudini superiori. L’asse orizzontale rappresenta i mesi dell’anno, da gennaio a dicembre.

Le linee di contorno, che rappresentano la velocità del vento in metri al secondo (m/s), sono tracciate con un intervallo di contorno di 10 m/s. Queste linee consentono di visualizzare le variazioni nella velocità e direzione dei venti attraverso l’anno in varie altitudini nella stratosfera inferiore:

• Le linee concave verso il basso indicano venti che soffiano da est, noti come venti orientali.
• Le linee concave verso l’alto indicano venti che soffiano da ovest, noti come venti occidentali.

L’analisi delle differenze tra i tre scenari può fornire una comprensione dettagliata di come le condizioni del QBO modulino i modelli di vento in risposta alle variazioni del ciclo solare, offrendo insight cruciali sull’interazione tra QBO e variazioni dell’irraggiamento solare nella stratosfera equatoriale.

La Tabella 1 riassume i sei esperimenti condotti con il Whole Atmosphere Community Climate Model (WACCM), sotto condizioni di forzatura costanti per quanto riguarda il ciclo solare e l’Oscillazione Quasi-Biennale (QBO). Ogni esperimento è definito in base alla combinazione specifica di fase del ciclo solare e le condizioni del vento zonale nella stratosfera equatoriale inferiore. Ecco i dettagli dei singoli esperimenti:

1. max:
   • Vento Zonale nella Stratosfera Equatoriale Inferiore: “standard weak cast”
   • Fase del Ciclo Solare: “massimo”
   • Descrizione: Questo esperimento viene eseguito durante il picco del ciclo solare e utilizza una configurazione di vento zonale equatoriale standard e debole.
2. min:
   • Vento Zonale nella Stratosfera Equatoriale Inferiore: “standard weak cast”
   • Fase del Ciclo Solare: “minimo”
   • Descrizione: Simile al setup dell’esperimento ‘max’, ma effettuato durante il minimo del ciclo solare.
3. maxW:
   • Vento Zonale nella Stratosfera Equatoriale Inferiore: “west”
   • Fase del Ciclo Solare: “massimo”
   • Descrizione: Questo esperimento si svolge durante il massimo solare, con venti zonali orientati verso ovest nella stratosfera equatoriale inferiore.
4. minW:
   • Vento Zonale nella Stratosfera Equatoriale Inferiore: “west”
   • Fase del Ciclo Solare: “minimo”
   • Descrizione: Configurazione del vento simile a quella dell’esperimento ‘maxW’, ma durante il minimo solare.
5. maxE:
   • Vento Zonale nella Stratosfera Equatoriale Inferiore: “east”
   • Fase del Ciclo Solare: “massimo”
   • Descrizione: Questo esperimento è condotto durante il massimo solare con i venti zonali orientati verso est.
6. minE:
   • Vento Zonale nella Stratosfera Equatoriale Inferiore: “east”
   • Fase del Ciclo Solare: “minimo”
   • Descrizione: Simile all’esperimento ‘maxE’, ma operato durante il minimo solare.

Questa tabella fornisce una panoramica sistematica e chiara delle configurazioni sperimentali adottate per esplorare l’interazione tra il ciclo solare, il QBO e il loro impatto sulla dinamica atmosferica globale.

4.1. Impatto della QBO sulla Risposta Solare nella Temperatura e nell’Ozono Tropicale

Nelle Figure 3 (superiore) e 3 (inferiore), sono rappresentate le differenze medie annuali di ozono e temperatura tra il massimo e il minimo solare, calcolate nell’intervallo tra 25°S e 25°N. Si analizzano tre scenari: l’esperimento QBO est (linee continue), l’esperimento QBO ovest (linee tratteggiate) e l’esperimento senza una QBO modellata (linee puntinate). Nella stratosfera superiore, tutti e tre gli scenari mostrano risultati simili, con un picco di risposta dell’ozono del 2,6% a 38 km e un picco di risposta della temperatura di 0,7 K a 43 km. Questi risultati sono in linea con le aspettative basate sull’effetto diretto dell’UV solare sul riscaldamento a onde corte, influenzando così temperatura e ozono.

Tuttavia, le differenze tra gli scenari diventano evidenti sotto i 35 km e sono particolarmente marcate sotto i 25 km, dove diventano preponderanti le interazioni dinamiche e i processi di trasporto. Per l’esperimento QBO est, si osserva una distinta diminuzione dell’ozono, con una risposta minima dell’1,3% a 29 km. Al contrario, la risposta dell’ozono diminuisce gradualmente partendo dal massimo nella stratosfera superiore negli esperimenti QBO ovest e senza QBO modellata.

Le differenze statisticamente significative tra gli esperimenti QBO est e QBO ovest si manifestano principalmente nella stratosfera inferiore. Qui, l’esperimento QBO est registra una risposta massima del 2,8% a 18 km, mentre l’esperimento QBO ovest mostra una risposta massima molto più bassa, dello 0,6%. È interessante notare che nella regione altimetrica tra 20-25 km, dove si verificano i cambiamenti più sostanziali della colonna di ozono, le differenze tra le due fasi QBO sono relativamente ridotte, attestandosi a circa l’1,5% per il QBO est e lo 0,5% per il QBO ovest.

La risposta dell’ozono nel caso senza QBO indotto si posiziona intermediamente tra i due casi QBO. Si osservano risultati simili per la temperatura: gli esperimenti QBO est evidenziano un massimo di 0,4 K intorno ai 20 km, leggermente superiore rispetto alla massima risposta dell’ozono, mentre la risposta nell’esperimento QBO ovest è inferiore a 0,1 K.

I risultati del modello, in particolare quelli degli esperimenti QBO est, mostrano una conformità qualitativa con le osservazioni, con picchi nella stratosfera superiore e inferiore e un minimo relativo nella stratosfera media nei segnali di ozono e temperatura solare. Tuttavia, si notano differenze nella magnitudine e talvolta anche nell’altezza della risposta. Mentre il picco stratosferico superiore osservato tocca il 2,8% a 43 km nei dati SAGE I+II [Organizzazione Meteorologica Mondiale, 2007], tutti e tre i gruppi di esperimenti mostrano un picco simile ma a quote leggermente inferiori (38 km). È importante notare che la risposta del modello nella stratosfera superiore non dipende dalla presenza del QBO imposto, mentre la risposta solare nella stratosfera media e inferiore evidenzia risposte significativamente diverse tra le due fasi QBO.

I segnali di temperatura solare annui modellati sono inferiori rispetto alle risposte osservate, che sono di circa 1 K nella stratosfera superiore [Randel et al., 2009] e superiori a 1 K per il QBO est e 0,5 K per il QBO ovest nella stratosfera inferiore [Labitzke, 2005]. Analogamente, la risposta dell’ozono solare osservata, non differenziata per fase QBO, è di circa il 2% nella stratosfera tropicale [Soukharev e Hood, 2006; Randel e Wu, 2007], mentre la risposta media nei modelli di simulazione è di circa l’1% in questa regione.

In conclusione, si evidenzia che la risposta solare del modello WACCM3 nella stratosfera media e inferiore dipende dalla fase del QBO, e che l’esperimento QBO est corrisponde qualitativamente con le osservazioni che non sono separate secondo la fase QBO. Proseguiremo con ulteriori test ed esplorazioni sul ruolo del QBO nella modulazione del segnale solare.

La Figura 3 illustra le differenze nei livelli di ozono e nelle temperature tra il massimo e il minimo solare, analizzate attraverso vari esperimenti nella zona tropicale (media da 25°S a 25°N).

• Parte superiore (Ozono): Questo grafico mostra la variazione percentuale dell’ozono tra il massimo e il minimo solare. Le rappresentazioni sono suddivise in:
  • Linea continua (E): Corrisponde all’esperimento QBO est (maxE – minE), con barre di errore standard a intervalli di altezza selezionati, che indicano fluttuazioni significative, soprattutto nella stratosfera superiore.
  • Linea tratteggiata (W): Rappresenta l’esperimento QBO ovest (maxW – minW), con variazioni generalmente minori rispetto al QBO est.
  • Linea punteggiata: Mostra i risultati dell’esperimento che considera esclusivamente il ciclo solare, evidenziando variazioni più contenute rispetto agli esperimenti che includono la QBO.
• Parte inferiore (Temperatura): Il grafico sotto esamina le differenze di temperatura in Kelvin tra il massimo e il minimo solare.
  • Linea continua (E) e linea tratteggiata (W): Seguono un andamento simile a quello dell’ozono. L’esperimento QBO est mostra un incremento di temperatura più marcato rispetto all’esperimento QBO ovest, in particolare intorno ai 20 km di altezza.
  • Linea punteggiata: Anche qui, rappresenta la risposta associata solo al ciclo solare, con variazioni di temperatura meno pronunciate lungo la colonna atmosferica.

In conclusione, la Figura 3 dimostra come le fasi della QBO influenzino in modo significativo la risposta di ozono e temperatura ai cambiamenti solari. L’esperimento QBO est tende a mostrare una risposta più intensa rispetto alla fase QBO ovest e al semplice ciclo solare, sottolineando l’importanza della dinamica stratosferica interna modulata dalla QBO nel modulare gli effetti del sole sulla stratosfera.

La Figura 4 visualizza i risultati di tre diversi esperimenti che riguardano la distribuzione della temperatura lungo varie latitudini e altitudini, correlata alle fasi del ciclo solare e dell’oscillazione quasi-biennale (QBO).

Parte (a) – minE

• Questo pannello mostra la distribuzione media annuale della temperatura in Kelvin, dalla superficie terrestre fino a 80 km di altitudine, nell’ambito dell’esperimento minE. Questo esperimento potrebbe rappresentare le condizioni durante il minimo solare e la fase est della QBO.
• Le linee di contorno sono impostate con un intervallo di 10 K, illustrando la variazione di temperatura dall’atmosfera bassa verso quella alta.

Parte (b) – maxE minus minE

• Qui vengono visualizzate le differenze di temperatura tra il massimo e il minimo solare durante la fase est della QBO.
• Le linee di contorno, con un intervallo di 0.2 K, insieme alle aree ombreggiate in chiaro e scuro indicano rispettivamente i livelli di significatività del 90% e 95% determinati tramite un test t di Student a due code. Queste aree suggeriscono dove le differenze di temperatura sono statisticamente significative.

Parte (c) – maxW minus minW

• Analogamente alla parte (b), questo pannello mostra le differenze di temperatura per la fase ovest della QBO.
• Le differenze sono ancora rappresentate con un intervallo di contorno di 0.2 K, e le ombreggiature indicano i medesimi livelli di significatività statistica.

Sintesi

• La Figura 4a fornisce una base per comprendere le temperature nell’esperimento minE, mentre le Figure 4b e 4c esplorano come le risposte della temperatura differiscano tra le fasi est e ovest della QBO rispetto alle variazioni del ciclo solare.
• Queste visualizzazioni sono fondamentali per analizzare come le variazioni nei cicli solari e nella QBO influenzano la dinamica della stratosfera superiore, e le regioni con differenze statisticamente significative sono particolarmente importanti per identificare modelli specifici di risposta climatica.

4.2. Impatto della QBO sulla Struttura di Latitudine-Altezza del Segnale Solare

[26] La struttura media annuale di latitudine-altezza del segnale solare relativa a temperatura e ozono, che si estende dalla superficie della Terra fino a 80 km di altitudine, è illustrata nelle Figure 4 e 5. È importante notare che la risposta diretta della temperatura intorno alla stratopausa equatoriale per entrambi i casi QBO (Figure 4b e 4c) si allinea con un picco nel tasso di riscaldamento a onde corte (non mostrato) e concorda con altri studi di modellazione, tra cui Brasseur, 1983; Matthes et al., 2003, 2004; Schmidt e Brasseur, 2006; Marsh et al., 2007; Schmidt et al., 2010. Tuttavia, il picco osservato nei modelli è inferiore rispetto a quello nelle osservazioni, benché le osservazioni stesse presentino divergenze come discusso nella sezione 1. Si evidenzia che in molti studi osservativi e di modellazione pubblicati, la risposta solare non è stratificata in base alla fase della QBO per la media annuale, né è rappresentata per l’intero dominio verticale dal suolo alla bassa mesosfera. La risposta della temperatura solare nella stratosfera media e inferiore a 20 km raggiunge 0,4 K nei tropici nel caso QBO est, ma solo 0,05 K nel caso QBO ovest, in accordo qualitativo con Labitzke [2005, Figura 8].

[27] In generale, si riscontrano differenze di temperatura positive significative nella stratosfera tropicale e subtropicale che si estendono ulteriormente nella stratosfera inferiore per il caso QBO est e sono spostate verso le medie latitudini nel caso QBO ovest. Differenze di temperatura leggermente positive, ma per lo più insignificanti, si verificano fino alla troposfera e alla superficie terrestre da 50°S a 50°N. Nel caso QBO est, un pattern di differenze di temperatura negative, parzialmente statisticamente significative, è presente in entrambi gli emisferi a partire da 50° verso i poli nella troposfera e nella stratosfera inferiore, estendendosi anche nella stratosfera superiore nell’emisfero sud. Il segnale solare nell’emisfero sud è invertito ma insignificante nel caso QBO ovest. I segnali solari alle latitudini polari sono per lo più non statisticamente significativi a causa della soverchiante variabilità dinamica. Un minimo relativo non significativo si verifica nel caso QBO est nella mesosfera (65 km) sopra il massimo stratosferico equatoriale mentre un segnale invertito, ovvero un massimo relativo significativo, appare per il caso QBO ovest.

[28] Indipendentemente dalla presenza di una QBO prescritta, la risposta della temperatura solare sopra i 70 km è statisticamente significativa e positiva e aumenta con l’altezza a causa della maggiore assorbimento di radiazioni a lunghezze d’onda più corte (EUV) durante i massimi solari. Una massima risposta della temperatura solare di circa 2 K può essere trovata all’equatore, a un’altezza di 80 km. Si nota che la risposta della temperatura continua ad aumentare con l’altezza fino alla termosfera inferiore (non mostrato).

[29] I cambiamenti medi annuali dell’ozono (O3) dal minimo al massimo solare per gli esperimenti QBO est e ovest sono illustrati nella Figura 5. La risposta dell’ozono solare per le due fasi della QBO, tra i 30 e i 50 km, mostra un comportamento simile alla risposta della temperatura solare discussa precedentemente (Figura 4). Durante il massimo solare, si osservano aumenti simmetrici e statisticamente significativi dell’ozono, dal tropico alla stratosfera superiore delle medie latitudini, con un picco del 2%-3% a 40 km, in linea con le osservazioni e precedenti studi di modellazione che non distinguono in base alla fase della QBO [ad esempio, Brasseur, 1983; Haigh, 1994; Fleming et al., 1995; Shindell et al., 1999; Schmidt e Brasseur, 2006; Marsh et al., 2007]. Al di sotto dei 30 km, le risposte dell’ozono solare differiscono notevolmente nelle due fasi della QBO nei tropici e nelle extratropici. Nella stratosfera inferiore, dove si verifica il massimo secondario della risposta dell’ozono solare per l’esperimento QBO est, si registra anche un aumento del vapore acqueo del 3%. Si notano anomalie significative dell’ozono solare per gli esperimenti QBO est e ovest nella troposfera tropicale e delle medie latitudini.

[30] Al di sopra dei circa 50 km, la risposta al ciclo solare è quasi identica in entrambe le fasi della QBO. Le anomalie dell’ozono nell’atmosfera superiore, e in particolare la diminuzione statisticamente significativa dell’ozono del 3% nella mesosfera tropicale e subtropicale, possono essere spiegate dall’aumentata fotolisi dell’H2O dovuta all’incremento dell’irraggiamento nella linea di Lyman a. L’aumento dell’ozono del 10% nella mesosfera delle medie e alte latitudini (∼70 km) si verifica proprio nel luogo del massimo terziario dell’ozono [Marsh et al., 2001] ed è correlato alla chimica della regione. La risposta media annuale della temperatura solare e dell’ozono nella stratosfera superiore concorda bene con un set di simulazioni di equilibrio di 30 anni del WACCM con una risoluzione orizzontale diversa (più grossolana) [Marsh et al., 2007], e anche con una recente simulazione con un modello comparabile al WACCM, ovvero il Modello di Amburgo dell’Atmosfera Neutrale e Ionizzata (HAMMONIA) [Schmidt e Brasseur, 2006; Schmidt et al., 2010]. La struttura verticale della risposta di temperatura e ozono nella stratosfera media e inferiore tropicale è riprodotta da Schmidt et al. [2010] indipendentemente da una QBO (internamente generata) ma non da Marsh et al. [2007] dove non era presente una QBO imposta. Concludiamo che, almeno nel WACCM, la struttura verticale del segnale solare tropicale nell’insieme di esperimenti presentati è dovuta alla QBO (prescritta).

La Figura 5 presenta tre diversi pannelli che illustrano la distribuzione e le variazioni dell’ozono attraverso varie latitudini e altitudini, correlati agli esperimenti QBO est e ovest.Parte (a) – minE

• Questo pannello mostra la distribuzione media annuale dell’ozono (in parti per milione per volume, ppmv), che si estende dalla superficie della Terra fino a 80 km di altitudine, nell’ambito dell’esperimento minE. Questo scenario rappresenta le condizioni di minimo solare durante la fase est della QBO.
• Le linee di contorno sono impostate con un intervallo di 1 ppmv, illustrando la variazione della concentrazione di ozono dall’atmosfera bassa alla alta.

Parte (b) – maxE minus minE

• In questo pannello, sono visualizzate le differenze di ozono tra il massimo e il minimo solare durante la fase est della QBO.
• Le linee di contorno, con un intervallo di 0.5%, insieme alle aree ombreggiate, indicano i livelli di significatività statistica, suggerendo dove le variazioni di ozono sono statisticamente significative.

Parte (c) – maxW minus minW

• Analogamente al pannello (b), questo grafico mostra le differenze di ozono per la fase ovest della QBO.
• Ancora una volta, le differenze sono rappresentate con un intervallo di contorno di 0.5%, e le ombreggiature indicano la significatività statistica delle variazioni.

Sintesi

Queste visualizzazioni sono cruciali per analizzare come le variazioni nei cicli solari e nella QBO influenzano la dinamica dell’ozono stratosferico, con le regioni che mostrano differenze statisticamente significative essendo particolarmente rilevanti per identificare specifici modelli di risposta atmosferica.

La Figura 5a offre una base per comprendere le concentrazioni di ozono nell’esperimento minE, mentre le Figure 5b e 5c esplorano come le risposte dell’ozono differiscano tra le fasi est e ovest della QBO in relazione alle variazioni del ciclo solare.

5. Andamento Stagionale dei Segnali

5.1. Stratosfera Inferiore: Tropici Versus Extratropici

[31] Fino a questo punto, sono stati presentati soltanto risultati medi annuali. In questa sezione, ci concentreremo sull’evoluzione stagionale della risposta alla variabilità solare nella stratosfera inferiore, confrontando gli esperimenti QBO est e QBO ovest. Le Figure 6 (QBO est) e 7 (QBO ovest) mostrano sezioni di latitudine-tempo delle temperature desezionalizzate (Figure 6a e 7a) e delle anomalie di ozono (Figure 6b e 7b), oltre alle *anomalie desezionalizzate della velocità verticale media euleriana trasformata (w)**, mediate sulla stratosfera inferiore (100–30 hPa) (Figure 6c e 7c), per esplorare le diverse risposte nelle due fasi della QBO nella stratosfera inferiore tropicale e indagare le loro possibili correlazioni con i cambiamenti della circolazione extratropicale.

[32] Nell’esperimento QBO est (Figura 6a), sono presenti segnali di temperatura solare positivi (0.2–0.3 K) tra 30°N e 30°S durante tutto l’anno, statisticamente significativi da gennaio a luglio. Esistono anche risposte negative della temperatura solare ad alte latitudini, statisticamente significative da gennaio a settembre, ma solo nelle latitudini meridionali medie e alte. Le risposte dell’ozono solare (Figura 6b) mostrano un pattern molto simile ai segnali di temperatura, con valori positivi statisticamente significativi di circa 1%–1.5% nei tropici e subtropici durante tutto l’anno. Alle latitudini più elevate, si registrano risposte statisticamente significative in alcune parti dell’anno, negative nell’emisfero sud ma positive nell’emisfero nord.

[33] Nell’esperimento QBO ovest (Figure 7a e 7b) si rilevano segnali deboli e non significativi di temperatura e ozono nei tropici, mentre segnali solari positivi più forti e parzialmente statisticamente significativi emergono a medie e alte latitudini. Nonostante l’esistenza di segnali solari chiari e opposti durante l’inverno dell’emisfero sud per i due esperimenti QBO, i segnali solari durante l’inverno dell’emisfero nord non sono distinti per le due fasi della QBO.

[34] Le anomalie per le due fasi della QBO indicano una risposta della circolazione media globale al ciclo solare, tale che si verifica un movimento relativo di affondamento e riscaldamento adiabatico alle basse latitudini e un movimento ascendente associato al raffreddamento alle alte latitudini meridionali durante la fase est della QBO. Il contrario è vero per la fase ovest della QBO. I cambiamenti in w* nelle Figure 6c e 7c sono ampiamente coerenti con il quadro dedotto dalle anomalie di temperatura e ozono solare e suggeriscono un indebolimento della circolazione di Brewer-Dobson per l’esperimento QBO est e un rafforzamento per l’esperimento QBO ovest durante i massimi solari. Tuttavia, questi cambiamenti non sono statisticamente significativi.

Figura 6: Sezioni di Latitudine-Tempo delle Medie Mensili Desezionalizzate nella Stratosfera Inferiore

• (a) Differenze di Temperatura (T): Il pannello (a) visualizza le differenze di temperatura con intervalli di contorno di 0.1 K attraverso l’anno, da gennaio a dicembre. Questo grafico mette in luce le variazioni termiche che si verificano prevalentemente nella zona equatoriale, con segnali positivi di temperatura (0.2 K) che sono statisticamente significativi da gennaio a luglio, indicando un riscaldamento in questi mesi.
• (b) Differenze di Ozono (O3): Il pannello (b) rappresenta le variazioni percentuali dell’ozono, con intervalli di contorno del 0.5%. Mostra variazioni significative di ozono lungo l’anno, evidenziando incrementi statisticamente significativi di circa 1%–1.5% nei tropici e subtropici durante tutto l’anno. L’ombreggiatura denota la significatività statistica delle variazioni, con cambiamenti più evidenti nelle regioni equatoriali e subtropicali.
• (c) Differenze nella Componente Verticale della Circolazione TEM (w):* Il pannello (c) illustra le differenze nella componente verticale della circolazione TEM (w*), espressa in mm/s moltiplicato per 100, con intervalli di contorno specificati. Il grafico indica le variazioni di w*, che riflettono movimenti ascendenti o discendenti nell’atmosfera, con variazioni più estese e significative indicanti un’intensificazione o una diminuzione della circolazione stratosferica.

Osservazioni Generali: La Figura 6 fornisce una visione comprensiva dell’impatto stagionale del ciclo solare sulla temperatura, sull’ozono e sulla dinamica atmosferica nella stratosfera inferiore nei tropici durante la fase est della QBO. Attraverso questa analisi, si evidenziano le variazioni stagionali e la loro significatività statistica, offrendo spunti cruciali sull’influenza del ciclo solare e della fase QBO sulla stratosfera tropicale.

5.2. Contributo di Produzione, Avvezione e Perdita al Segnale del Ciclo Solare nell’Ozono nella Stratosfera Inferiore Tropicale

[35] Per approfondire l’analisi dei segnali dell’ozono indotti dal sole nella stratosfera inferiore tropicale per le due fasi della QBO, esaminiamo il contributo di produzione di ozono, avvezione e durata fotochimica ai cambiamenti medi annuali dell’ozono durante i periodi di massimo e minimo solare. L’influenza della produzione chimica, avvezione e cicli di perdita chimica sull’ozono varia notevolmente in base all’altitudine.

Il principale meccanismo di produzione fotochimica dell’ozono, che coinvolge la fotolisi dell’ossigeno molecolare, è più intenso nei tropici e raggiunge il suo picco intorno ai 40 km. Oltre i 30 km, diversi cicli catalitici coinvolti con le famiglie chimiche come Ox, NOx, HOx, ClOx, e BrOx agiscono rapidamente nel degradare l’ozono. Al di sotto dei 30 km, i tassi di produzione e di perdita rallentano significativamente, rendendo l’avvezione un fattore cruciale per stabilire la concentrazione di equilibrio dell’ozono.

Per quantificare la variazione percentuale dell’ozono tra il massimo e il minimo solare, abbiamo seguito l’approccio proposto da Tilmes et al. nel 2009. Questo metodo si basa sull’analisi dei contributi di produzione, avvezione e perdita all’interno di un’equazione di continuità che viene media durante il ciclo annuale e tra le latitudini ±25° per entrambe le fasi della QBO.

Nella stratosfera tropicale, il termine di trasporto è dominato dall’avvezione verticale, che abbiamo verificato utilizzando i risultati del modello. Tuttavia, calcolare l’avvezione direttamente dai dati medi mensili della velocità verticale e del gradiente verticale di ozono può essere inaccurato poiché trascura i contributi transitori. Per questa ragione, non abbiamo calcolato direttamente l’avvezione, ma abbiamo assegnato un valore adeguato per equilibrare i contributi all’interno dell’equazione di continuità a ogni altitudine.

[35] Per approfondire l’analisi dei segnali dell’ozono indotti dal sole nella stratosfera inferiore tropicale per le due fasi della QBO, esaminiamo il contributo di produzione di ozono, avvezione e durata fotochimica ai cambiamenti medi annuali dell’ozono durante i periodi di massimo e minimo solare. L’influenza della produzione chimica, avvezione e cicli di perdita chimica sull’ozono varia notevolmente in base all’altitudine.

Il principale meccanismo di produzione fotochimica dell’ozono, che coinvolge la fotolisi dell’ossigeno molecolare, è più intenso nei tropici e raggiunge il suo picco intorno ai 40 km. Oltre i 30 km, diversi cicli catalitici coinvolti con le famiglie chimiche come Ox, NOx, HOx, ClOx, e BrOx agiscono rapidamente nel degradare l’ozono. Al di sotto dei 30 km, i tassi di produzione e di perdita rallentano significativamente, rendendo l’avvezione un fattore cruciale per stabilire la concentrazione di equilibrio dell’ozono.

Per quantificare la variazione percentuale dell’ozono tra il massimo e il minimo solare, abbiamo seguito l’approccio proposto da Tilmes et al. nel 2009. Questo metodo si basa sull’analisi dei contributi di produzione, avvezione e perdita all’interno di un’equazione di continuità che viene media durante il ciclo annuale e tra le latitudini ±25° per entrambe le fasi della QBO.

Nella stratosfera tropicale, il termine di trasporto è dominato dall’avvezione verticale, che abbiamo verificato utilizzando i risultati del modello. Tuttavia, calcolare l’avvezione direttamente dai dati medi mensili della velocità verticale e del gradiente verticale di ozono può essere inaccurato poiché trascura i contributi transitori. Per questa ragione, non abbiamo calcolato direttamente l’avvezione, ma abbiamo assegnato un valore adeguato per equilibrare i contributi all’interno dell’equazione di continuità a ogni altitudine.

L’analisi precedente suggerisce che il rapporto di miscelazione dell’ozono nella stratosfera inferiore deve essere regolato da un equilibrio delicato di vari fattori come avvezione, produzione e perdita, tutti di magnitudine molto piccola ma comparabile. Questo perché, in assenza di cambiamenti a lungo termine, non può esserci una tendenza netta dell’ozono durante il ciclo annuale. Di conseguenza, le modeste ma opposte variazioni di w* tra gli esperimenti QBO est e QBO ovest determinano il segnale del ciclo solare nell’ozono nella stratosfera inferiore. A causa di questi cambiamenti, l’avvezione si rivela inefficace nel contrapporsi ai cambiamenti nella produzione nel QBO est, ma è decisamente efficace nel QBO ovest. Questo comportamento è evidenziato nella Figura 8, dove gli aumenti nella produzione di ozono portano a un incremento netto dell’ozono tra il minimo e il massimo solare nel QBO est, ma sono contrastati dai cambiamenti nell’avvezione nel QBO ovest, risultando in nessun aumento netto dell’ozono in quella fase. È importante notare che gli aumenti significativi nella produzione di ozono al di sotto dei 20 km nel QBO ovest dovrebbero essere interpretati come risultato del fatto che in questa fase ci sono solo piccoli cambiamenti nell’ozono nella fascia dei 20-25 km, quindi non c’è un aumento del carico di ozono che possa interferire con l’aumento della produzione.

[40] È importante sottolineare che i cambiamenti nell’ozono dovuti al ciclo solare sono molto piccoli in termini assoluti per entrambe le fasi del QBO, est e ovest. L’analisi presentata nella Figura 8 e i risultati mostrati nella Figura 3 rappresentano tutti cambiamenti in termini frazionali o percentuali. Sebbene i cambiamenti più significativi siano comparabili nelle regioni della stratosfera superiore e inferiore durante il QBO est (circa il 2.5%), i cambiamenti assoluti nel rapporto di miscelazione dell’ozono sono molto più grandi vicino al massimo del rapporto di miscelazione nella stratosfera media (circa 30 km), dove il rapporto di miscelazione è più di un fattore di 10 maggiore rispetto a quello della stratosfera più bassa. Anche la concentrazione di ozono (molecole/cm³) segue questa tendenza, essendo circa quattro volte superiore a 30 km rispetto a 18-20 km.

[41] Persiste la questione del perché la risposta del ciclo solare di w* sia di segno opposto nel QBO est rispetto al QBO ovest nelle simulazioni presentate. Non abbiamo una risposta definitiva a questa domanda, ma i risultati mostrati nella sezione 5.3 suggeriscono che la forza della circolazione di Brewer-Dobson diminuisce tra il minimo solare e il massimo solare nel QBO est e aumenta negli anni del QBO ovest. Il segnale solare osservato nell’ozono della stratosfera inferiore tropicale è riprodotto qualitativamente dalle nostre simulazioni, suggerendo quindi che la circolazione reale di Brewer-Dobson si comporti in modo simile.

Figura 7: Sezioni di Latitudine-Tempo delle Medie Mensili Desezionalizzate nella Stratosfera Inferiore per l’Esperimento QBO Ovest

• (a) Differenze di Temperatura (T): Il pannello (a) mostra le differenze di temperatura con intervalli di contorno di 0.2 K attraverso l’anno, da gennaio a dicembre. Questo grafico mette in luce le variazioni termiche che si verificano lungo diverse latitudini nel corso dell’anno, con aree più scure che rappresentano regioni dove le variazioni di temperatura sono più marcate e statisticamente significative, principalmente nei mesi estivi e autunnali.
• (b) Differenze di Ozono (O3): Il pannello (b) rappresenta le variazioni percentuali dell’ozono, con intervalli di contorno del 0.5%. Si osservano incrementi significativi di ozono durante i mesi centrali dell’anno, particolarmente a latitudini medie e alte, dove le variazioni possono raggiungere fino al 1.5%. Le aree ombreggiate indicano la significatività statistica di queste variazioni, evidenziando l’importanza e la consistenza delle modifiche osservate.
• (c) Differenze nella Componente Verticale della Circolazione TEM (w):* Il pannello (c) illustra le differenze nella componente verticale della circolazione TEM (w*), espressa in termini di movimenti verticali dell’aria. Le linee di contorno variano in densità e direzione, indicando le dinamiche complesse della circolazione atmosferica attraverso le stagioni. Questo pannello aiuta a visualizzare come la circolazione verticale influenzi la distribuzione di temperatura e ozono nella stratosfera.

Riassunto Generale: La Figura 7 fornisce una vista dettagliata sull’impatto stagionale del ciclo solare sulla temperatura, sull’ozono e sulla dinamica atmosferica nella stratosfera inferiore per il QBO ovest, sottolineando le variazioni stagionali e la loro significatività statistica. Questi grafici sono essenziali per comprendere come le variazioni nei cicli solari e nella fase QBO influenzino i cambiamenti nella stratosfera tropicale durante l’anno.

Figura 8: Variazione Frazionale dell’Ozono tra il Minimo e il Massimo Solare nei Due Esperimenti QBO

Questa figura illustra i cambiamenti frazionali dell’ozono, dO3/O3, che si verificano tra il minimo e il massimo solare per due diversi esperimenti: QBO-est (a sinistra) e QBO-ovest (a destra). Si evidenzia come l’ozono sia influenzato da diversi processi atmosferici durante i cicli solari.

Dettagli dei Grafici:

• Quadrati: Mostrano la variazione frazionale complessiva dell’ozono (dO3/O3).
• Linee continue: Indicano i cambiamenti nella durata chimica dell’ozono (Ox), ovvero il tempo medio di vita dell’ozono.
• Linee tratteggiate: Rappresentano le variazioni nel tasso di produzione dell’ozono (Ox).
• Linee tratteggiate con punti: Illustrano i contributi dell’avvezione, il movimento dell’ozono dovuto ai flussi d’aria.

Interpretazione dei Contributi:

• Le barre di errore mostrano le incertezze statistiche per i termini di durata e produzione, mentre il contributo dell’avvezione non è calcolato direttamente.
• I grafici rivelano che le variazioni nella produzione e nella durata dell’ozono hanno un impatto significativo sulla composizione atmosferica, con differenze notevoli tra i due esperimenti QBO.

Analisi per Esperimento:

• QBO-est: Vi è un netto incremento dell’ozono osservato, influenzato maggiormente dalla produzione e dalla durata chimica dell’ozono. L’effetto dell’avvezione è meno rilevante, suggerendo che i cambiamenti nella produzione e decomposizione sono i fattori dominanti.
• QBO-ovest: Anche qui si osservano impatti significativi della produzione e della durata, ma l’interazione tra i vari fattori può differire, indicando un possibile ruolo più marcato dell’avvezione.

In conclusione, la Figura 8 fornisce una rappresentazione dettagliata di come diversi processi contribuiscano alle variazioni dell’ozono nella stratosfera durante i cicli di massimo e minimo solare, evidenziando le distinzioni tra i due scenari sperimentali del QBO.

Figura 9: Cambiamenti nell’Avvezione Verticale dell’Ozono tra il Minimo e il Massimo Solare

La Figura 9 mostra come l’ozono viene trasportato verticalmente attraverso l’atmosfera nei due diversi esperimenti QBO, evidenziando le differenze tra la fase est (a sinistra) e la fase ovest (a destra).

Dettagli dei Grafici:

• Quadrati: Indicano il cambiamento complessivo nel trasporto verticale dell’ozono tra il minimo e il massimo solare.
• Linee solide: Mostrano il contributo dei cambiamenti nella velocità verticale dell’aria a questo cambiamento.
• Linee tratteggiate: Rappresentano il contributo dei cambiamenti nel gradiente verticale dell’ozono.

Interpretazione dei Risultati:

• Altezza (Asse Verticale): L’asse verticale del grafico mostra l’altitudine espressa in chilometri.
• Variazione di Trasporto (Asse Orizzontale): L’asse orizzontale quantifica quanto rapidamente l’ozono si muove verso l’alto o il basso a causa del trasporto atmosferico.

Analisi per Esperimento:

• QBO-est: I cambiamenti nel trasporto verticale dell’ozono sono minimi sotto i 30 km. Questo effetto è dovuto al fatto che i cambiamenti nella velocità del vento verticale e nel gradiente di ozono si neutralizzano a vicenda. Sebbene la velocità del vento diminuisca, l’incremento nel gradiente di ozono equilibra questo effetto, risultando in pochi cambiamenti netti nel trasporto verticale dell’ozono.
• QBO-ovest: Al contrario, durante il QBO ovest, i cambiamenti nel trasporto verticale dell’ozono sono più pronunciati e i contributi dalla velocità del vento e dal gradiente di ozono sono entrambi negativi, rafforzandosi reciprocamente. Ciò indica che durante il QBO ovest, entrambi i fattori aumentano, intensificando il movimento dell’ozono sia verso l’alto che verso il basso.

In sintesi, la Figura 9 fornisce una visione dettagliata su come il trasporto verticale dell’ozono risponde alle variazioni del ciclo solare in due scenari di QBO distinti, sottolineando l’importanza della dinamica verticale e dei cambiamenti nei gradienti di ozono.

5.3. Risposta Extratropicale nella Velocità del Vento Zonale Media e nella Temperatura

[42] La Figura 10 illustra un confronto dei segnali di temperatura e di vento zonale medio nell’emisfero sud tra le fasi est e ovest della QBO durante il periodo da giugno a ottobre. Questo intervallo temporale coincide con le più ampie anomalie solari nella stratosfera tropicale bassa alle alte latitudini, come mostrato nelle Figure 6 e 7. Nei mesi di giugno e luglio, si osserva un riscaldamento significativo della stratosfera superiore tropicale e subtropicale, causato da un aumento dell’assorbimento della radiazione UV durante i massimi solari (Figure 10b e 10d). In questa fase precoce dell’inverno, la stratosfera rimane predominante sotto controllo radiativo, risultando pertanto estremamente sensibile ai cambiamenti solari diretti che introducono una forzatura termica aggiuntiva [Kodera e Kuroda, 2002].

[43] Nel caso della QBO est, le differenze di temperatura indotte dal sole nei tropici si propagano verso la stratosfera inferiore col passare del tempo, culminando in un massimo secondario della temperatura (vedi Figura 6a). Al contrario, nel caso della QBO ovest, il riscaldamento tropicale significativo si limita alla stratosfera superiore e alla mesosfera, mentre nella stratosfera inferiore e nella troposfera superiore prevalgono anomalie più deboli e non significative (Figura 10d). Alle alte latitudini, si verifica un rafforzamento e un’estensione verso il basso delle anomalie di temperatura che raggiungono il loro apice in settembre per entrambi i casi QBO, configurando un modello quadrupolare, in gran parte statisticamente significativo, con segni invertiti per le due fasi. Le anomalie di vento e temperatura più marcate indotte dal sole emergono in settembre, durante il periodo di tardo inverno a inizio primavera, particolarmente sensibile all’influenza delle onde planetarie. È importante notare che tali anomalie significative arrivano al suolo nel caso della QBO est, ma non nel caso della QBO ovest.

[44] Correlate alle anomalie quadrupolari di temperatura, che risultano più intense a settembre, si osserva un modello dipolare nelle anomalie del vento zonale medio alle alte latitudini meridionali. Queste anomalie raggiungono i +10 m/s a 40 km per la QBO est (Figura 10a) e i -8 m/s a 40 km per la QBO ovest (Figura 10c). Le anomalie si intensificano e si propagano verso il polo e in discesa dalla regione della stratopausa subtropicale. Tale modulazione del getto polare notturno è confermata anche dalle osservazioni [Kuroda e Kodera, 2002], sebbene la massima risposta si manifesti in agosto nell’emisfero sud, mentre emerge un mese più tardi nel WACCM3. Questo ritardo nel WACCM3 è probabilmente dovuto alla durata irrealisticamente lunga della stagione invernale.

La Figura 10 illustra le differenze nella temperatura e nel vento zonale medio zonale tra i periodi di massimo e minimo solare, distribuite tra i mesi da giugno a ottobre. Le analisi sono separate per gli esperimenti QBO est (pannelli a e b) e QBO ovest (pannelli c e d).

Struttura della Figura:

• (a e b) QBO est (maxE – minE):
  • (a) Rappresenta le differenze nel vento zonale medio.
  • (b) Rappresenta le differenze di temperatura.
• (c e d) QBO ovest (maxW – minW):
  • (c) Mostra le differenze nel vento zonale medio.
  • (d) Mostra le differenze di temperatura.

Dettagli degli Assi:

• Asse verticale: Indica l’altezza in chilometri (km), estendendosi dalla superficie terrestre fino a 80 km di altezza.
• Asse orizzontale: Rappresenta la latitudine, variando da -80 a +80 gradi.

Caratteristiche Distintive:

• Ombreggiature e Contorni:
  • Le aree ombreggiate denotano regioni con variazioni significative tra il massimo e il minimo solare, suggerendo forti influenze solari su questi parametri.
  • I contorni delineano i livelli specifici delle anomalie misurate, fornendo una rappresentazione dettagliata delle variazioni atmosferiche.

Implicazioni:

• La figura fornisce un’illustrazione dettagliata di come le differenze nel vento zonale e nella temperatura atmosferica variano in relazione alla fase del QBO e all’attività solare. Si nota una chiara variazione stagionale e altitudinale, che sottolinea l’interazione tra la dinamica solare e quella atmosferica, particolarmente rilevante nelle zone equatoriali e polari.

Questo grafico è essenziale per comprendere la complessità delle dinamiche climatiche e atmosferiche globali, mostrando come i fenomeni solari possano influenzare direttamente i pattern di vento e le temperature a varie altitudini e latitudini.

5.4. Risposta nelle Interazioni tra Onda e Flusso Medio

[45] L’induzione solare della modulazione polare verso il basso del getto polare notturno, che coinvolge la rifrazione delle onde planetarie e cambiamenti nelle interazioni onda-flusso medio [Kodera e Kuroda, 2002], è evidenziata dalle differenze tra il massimo e il minimo solare nella divergenza del vettore di flusso di Eliassen Palm, denotato come r · F (divF), per le due fasi della QBO. Questi risultati sono presentati nella Figura 11.

Le anomalie di r · F, statisticamente significative e positive, per la fase QBO est nella stratosfera superiore delle medie latitudini a partire da luglio, suggeriscono una interazione onda-flusso medio più debole e, di conseguenza, una ridotta generazione di onde durante le condizioni di massimo solare. Questo effetto rafforza i venti occidentali (vedi Figura 10a). Le onde planetarie che si propagano verticalmente verso l’alto vengono riflesse verso il polo vicino all’anomalia del vento occidentale e si dissipano a latitudini superiori, dove accelerano il flusso medio zonale (anomalie positive di r · F).

Di conseguenza, la regione di dissipazione delle onde planetarie si sposta verso il polo e verso il basso nel tempo, parallela all’anomalia del vento occidentale (vedi Figura 10a), creando un feedback positivo tra le onde planetarie e l’anomalia del vento medio zonale.

Per la fase QBO ovest, significative anomalie di r · F indotte dal sole si manifestano prima (giugno) rispetto al QBO est e presentano un segno opposto, coerente con i cambiamenti del vento zonale medio (vedi Figura 10c). Sotto le condizioni QBO est, una convergenza più debole a medie e alte latitudini all’inizio dell’inverno dell’emisfero sud induce un Brewer-Dobson Circulation (BDC) polare più debole durante il massimo solare, e viceversa per le condizioni QBO ovest (non mostrato). Questa modulazione del BDC porta a un massimo di temperatura equatoriale e a corrispondenti anomalie negative alle latitudini SH più elevate da settembre a gennaio (vedi Figure 6 e 7).

In WACCM3, la modulazione del Polar Night Jet (PNJ) e del BDC non è evidente nell’emisfero nord (NH) come nell’emisfero sud (SH). Si nota nuovamente che le anomalie nel caso QBO est si estendono più in basso fino alla superficie rispetto al caso QBO ovest. La risposta quasi opposta per le due fasi QBO è ben supportata dalle osservazioni [es. Labitzke, 2003] e da altri esperimenti con modelli meccanicistici [Ito et al., 2009]. I risultati pubblicati riguardano principalmente gli inverni NH, mentre il WACCM3 riproduce chiaramente questa relazione solo durante l’inverno SH.

La Figura 11 illustra le differenze nella divergenza del vettore di flusso di Eliassen-Palm (divF), che si verifica tra il massimo e il minimo solare, da giugno a ottobre. Queste differenze sono osservate per le fasi QBO est e QBO ovest.

Dettaglio delle Sottosezioni:

• (a) QBO est (maxE – minE): Mostra le variazioni di divF durante i mesi indicati per la fase est della QBO.
• (b) QBO ovest (maxW – minW): Presenta le variazioni di divF per la fase ovest della QBO nei medesimi mesi.

Composizione della Figura:

• Assi:
  • Asse Verticale: Mostra l’altezza in chilometri (km).
  • Asse Orizzontale: Indica la latitudine che varia da -80 a +80 gradi.

Caratteristiche Salienti:

• Ombreggiature e Contorni:
  • Le aree ombreggiate indicano regioni dove le variazioni nella divergenza del flusso EP tra il massimo e il minimo solare sono statisticamente significative.
  • I contorni forniscono una rappresentazione dettagliata dei valori specifici di queste anomalie.

Analisi e Interpretazione:

• La figura fornisce una rappresentazione visiva chiara di come le interazioni onda-flusso medio, riflesse nella divergenza del flusso EP, differiscano tra le fasi QBO est e ovest sotto l’influenza delle variazioni solari.
• Le variazioni mostrate evidenziano come queste interazioni si modificano significativamente tra i diversi mesi e tra le fasi della QBO, mostrando una distinta risposta atmosferica alle forze esterne.

La Figura 11 è fondamentale per comprendere la complessa dinamica atmosferica e la sua relazione con le variazioni solari e la configurazione della QBO, offrendo insight cruciali sulle modalità con cui le onde planetarie e il flusso medio interagiscono nell’atmosfera.

5.5. Risposta Troposferica alle Alte Latitudini

[46] La risposta troposferica di settembre viene analizzata perché la modulazione del getto polare notturno e della circolazione di Brewer-Dobson è più marcata alle latitudini polari meridionali e mostra comportamenti opposti durante le due fasi della QBO in questo periodo dell’anno. Analogamente ai risultati ottenuti da Matthes et al. [2006] per l’emisfero nord, un modello significativo e positivo simile all’Oscillazione Antartica (AAO) in altezza geopotenziale si estende dalla stratosfera fino alla troposfera e superficie nel caso QBO est (Figura 12, parte superiore). Questo pattern rimane significativo nella troposfera, anche se risulta essere più debole rispetto al modello stratosferico. Questo fenomeno si verifica nel momento in cui le anomalie del vento zonale medio stratosferico si propagano verso la troposfera (vedi Figura 10a), corrispondente alla fase della parte invernale controllata dinamicamente.

Nell’esperimento QBO ovest, emerge una risposta opposta, sebbene non significativa, nella stratosfera media (Figura 12, parte inferiore). Il segnale rimane confinato alla stratosfera, in linea con le anomalie dei venti (vedi Figura 10c). Un segnale simile, ma molto più debole e meno significativo, è visibile durante la modulazione più lieve del PNJ nell’emisfero nord a marzo (non mostrato).

In questa sezione, non si intende enfatizzare il confronto con le osservazioni ma piuttosto dimostrare che una modulazione stratosferica del PNJ e del BDC che si estende nella troposfera extratropicale può indurre una modulazione dei modi annulari, come il pattern AAO positivo in questo caso.

6. Riassunto e Discussione

[47] Abbiamo illustrato gli effetti di una QBO costante e prescritta sull’andamento del segnale solare modellato nella stratosfera e nella troposfera ad alte latitudini, sottolineando l’importanza degli effetti contrapposti delle due fasi della QBO. Un confronto con le osservazioni è stato fatto ove appropriato, ma non costituisce l’elemento centrale di questo studio.

[48] Sebbene modesto, il segnale solare è identificabile nel modello WACCM3. I risultati statisticamente significativi si localizzano prevalentemente nella stratosfera tropicale e a media latitudine. Significativi risultati sono ottenuti anche ad alte latitudini durante il tardo inverno/inizio primavera dell’emisfero sud. La risposta diretta al sole in termini di temperatura e ozono nella stratosfera superiore è coerente, in termini qualitativi, con altri studi di modellazione e osservazionali, indipendentemente dalla presenza di una QBO. Durante il massimo solare, le temperature nella regione della stratopausa tropicale sono circa 0.7 K più alte rispetto al minimo solare, con un incremento dell’ozono del 2%-3% nella stratosfera superiore.

[49] Nella stratosfera media e inferiore tropicale, la fase della QBO esercita un influsso marcato sulla struttura verticale del segnale solare, in termini di temperatura e ozono, come rivelato dalle simulazioni di forzatura costante del WACCM3 (Figura 3). Il segnale solare nelle fasi QBO est e ovest differisce nei tropici, ma anche ad alte latitudini (Figure 4-7 e 10-12), e implica cambiamenti significativi nella circolazione della stratosfera. Anomalie prevalenti di venti occidentali alle latitudini polari nel caso QBO est sono in linea con un indebolimento relativo della circolazione di Brewer-Dobson, risultando in un abbassamento, riscaldamento e maggiore concentrazione di ozono nella stratosfera inferiore tropicale. Invece, anomalie prevalenti di venti orientali ad alte latitudini nel caso QBO ovest corrispondono a un sollevamento, raffreddamento e minor concentrazione di ozono nella stratosfera inferiore tropicale.

[50] L’analisi su produzione di ozono, avvezione e durata fotochimica (Figure 8 e 9) ha evidenziato un incremento della produzione di ozono al di sotto dei 25 km, che tende a intensificare l’ozono durante le condizioni di massimo solare, a prescindere dalla fase della QBO. Nell’esperimento QBO ovest, un cambiamento nell’avvezione verticale elimina efficacemente l’ozono, portando a un minimo cambiamento netto dell’ozono nella stratosfera inferiore. Al contrario, nell’esperimento QBO est, i cambiamenti nell’avvezione verticale sono trascurabili e si registra un aumento dell’ozono nella stratosfera inferiore.

[51] La risposta modellata alle latitudini polari (Figure 10–12) è coerente qualitativamente con le osservazioni [es. Labitzke, 2003], con altri modelli GCM [Matthes et al., 2004, 2006] e con studi basati su modelli meccanicistici [Ito et al., 2009]. Tuttavia, la risposta nel WACCM3 è documentata per l’inverno dell’emisfero sud, mentre altri studi la mostrano per l’inverno dell’emisfero nord. Si discuterà successivamente il motivo per cui la risposta nel WACCM è minore durante l’inverno dell’emisfero nord e come essa si confronti, almeno qualitativamente, con le osservazioni durante l’inverno dell’emisfero sud.

[52] Le interazioni onda-flusso medio sono considerate fondamentali per il trasferimento del segnale solare dalla stratosfera superiore alla stratosfera inferiore e alla troposfera [ad esempio, Kodera e Kuroda, 2002]. Una climatologia di sfondo realistica è vista come un prerequisito essenziale, come evidenziato in studi precedenti [Kodera et al., 2003; Matthes et al., 2003]. Potrebbe emergere che né il flusso medio né la generazione e propagazione delle onde siano adeguatamente rappresentati in WACCM3. Richter et al. [2008] hanno identificato carenze nella climatologia di sfondo di WACCM3, caratterizzata da un inverno SH molto intenso e prolungato e una frequenza dei riscaldamenti stratosferici inferiore di metà rispetto alle osservazioni durante l’inverno NH nella versione di WACCM3 utilizzata in questo studio. I problemi nella climatologia di sfondo e l’assenza di una propagazione del segnale solare trovano conferma nei risultati dell’esperimento senza QBO, dove si osserva solo un debole e insignificante movimento del segnale solare verso il basso e verso il polo durante l’inverno SH, mentre nessun movimento è rilevato nell’NH (non mostrato). L’anomalia del vento ovest iniziale rimane nella stessa posizione per tutto l’inverno NH. In questo caso, la climatologia di sfondo mostra un getto subtropicale forte con una notevole variabilità quasi nella stessa posizione per tutto l’inverno (non mostrato). Questa variabilità irrealistica influisce sulle interazioni onda-flusso medio e potrebbe sopprimere i cambiamenti solari indotti dinamicamente. La QBO modifica la climatologia dei venti di sfondo e migliora la rappresentazione delle interazioni onda-flusso medio nei due casi di QBO (Figura 11) rispetto al caso senza QBO.

[53] La corrispondenza qualitativa dei segnali solari indotti modellati con le osservazioni nell’SH potrebbe essere attribuita all’inverno SH più duraturo rispetto all’NH, permettendo così che i segnali dinamici siano più efficaci, o potrebbe derivare da un migliore accordo nella climatologia di sfondo nell’SH rispetto all’inverno NH. Non è chiaro quale ruolo giochi la rappresentazione realistica delle onde. Jablonowski e Williamson [2006] hanno dimostrato che gli eddies troposferici sono meglio rappresentati nei GCM con una risoluzione orizzontale più elevata. Abbiamo confermato parte di questi risultati, avendo condotto lo stesso set di esperimenti con una risoluzione del modello più grossolana (4° × 5°) e riscontrando che con la versione di risoluzione orizzontale più fine (1.9° × 2.5°) il segnale solare e il suo trasferimento sono più realistici, specialmente nell’SH.

[54] I cambiamenti solari nella stratosfera inducono modifiche nella troposfera. Durante periodi di chiara modulazione del PNJ (Polar Night Jet) e del BDC (Brewer-Dobson Circulation), si manifesta un evidente modello simile all’AAO (Antarctic Oscillation) attraverso la stratosfera e la troposfera nel caso della QBO est. Questo fenomeno conferma i risultati dello studio di modellazione con il modello FUB-CMAM, che utilizza una chimica non interattiva e in cui la distribuzione dell’ozono è stata prescritta da un modello bidimensionale [Matthes et al., 2004, 2006], e si allinea qualitativamente anche con diversi studi osservativi e uno studio di modello meccanicistico precedentemente menzionato. Questa corrispondenza, insieme a ulteriori esperimenti con WACCM3 impiegando forzature più realistiche e variabili nel tempo (K. Matthes et al., manoscritto in preparazione, 2010), supporta la validità dei risultati qui presentati.

Una differenza rispetto ai risultati del FUB-CMAM è che la risposta troposferica è molto debole in WACCM3. Un confronto del getto di vento stratosferico alle medie latitudini mostra che quest’ultimo è più forte nel FUB-CMAM rispetto al WACCM3 (non mostrato). Secondo i risultati di Sigmond et al. [2008], ciò potrebbe spiegare perché la risposta troposferica sia più marcata nel FUB-CMAM rispetto al WACCM3. Le forzature costanti del ciclo solare e della QBO (prescritta) rappresentano un altro possibile fattore limitante della risposta e potrebbero condurre il modello verso un caso estremo permanente.

La Figura 12 illustra proiezioni stereografiche polari che coprono da 20°S a 90°S. Queste mappe mostrano le differenze a lungo termine delle medie mensili dell’altezza geopotenziale tra il massimo solare e il minimo solare. Le differenze sono presentate per gli esperimenti QBO est (fila superiore) e QBO ovest (fila inferiore) a tre livelli di pressione: 10 hPa, 100 hPa, e 500 hPa.

Dettagli chiave della figura:

• Livelli di Pressione:
  • 10 hPa (pannelli più a sinistra): corrisponde alla stratosfera alta.
  • 100 hPa (pannelli centrali): situato nella stratosfera media.
  • 500 hPa (pannelli più a destra): rappresenta la bassa stratosfera o alta troposfera.
• Intervalli di Contorno:
  • Gli intervalli di contorno sono di 10 gpm per 10 hPa, 5 gpm per 100 hPa, e 2 gpm per 500 hPa. Questi contorni aiutano a delineare le differenze di altezza geopotenziale tra le condizioni di massimo e minimo solare.
• Ombreggiatura:
  • Come nella Figura 4, l’ombreggiatura viene utilizzata per evidenziare aree di differenza significativa, indicando regioni con notevoli variazioni atmosferiche tra le fasi solari estreme.

Interpretazione:

• QBO est (fila superiore):
  • Le variazioni di altezza geopotenziale mostrate indicano cambiamenti dinamici significativi nella struttura atmosferica associati alla fase est della QBO durante il massimo solare.
• QBO ovest (fila inferiore):
  • I cambiamenti mostrati per la fase ovest della QBO presentano un pattern distintivo, suggerendo che la risposta atmosferica al ciclo solare può essere fortemente modulata dalla fase della QBO.

Implicazioni:

Queste visualizzazioni forniscono insight preziosi su come le variazioni solari impattano differenti strati dell’atmosfera e come queste influenze siano modulate dalla QBO. Le mappe sono fondamentali per una comprensione approfondita delle interazioni tra l’attività solare, la QBO e la circolazione atmosferica globale.

7. Conclusioni

[55] Abbiamo esaminato i risultati di un insieme di esperimenti idealizzati utilizzando la versione di WACCM3 a risoluzione orizzontale di 1.9° × 2.5°, configurata sia con le sole condizioni fisse del ciclo solare sia con le condizioni del ciclo solare e le fasi fisse della QBO, insieme a SST climatologiche. Questi esperimenti aiutano a comprendere la risposta solare e, in particolare, il ruolo della QBO nella modulazione del segnale solare. I principali risultati includono:

[56] 1. Sebbene la risposta solare del modello nella stratosfera superiore non sia influenzata dalla fase della QBO, la struttura verticale delle risposte di ozono e temperatura nella stratosfera media e inferiore tropicale è modulata dalla QBO, risultando in risposte solari diverse, talvolta di segno opposto, per gli esperimenti QBO est e ovest, soprattutto nei tropici e alle alte latitudini. Questo è particolarmente evidente durante il tardo inverno/inizio primavera dell’emisfero sud.

[57] 2. L’esperimento QBO est evidenzia un minimo relativo statisticamente significativo nella risposta solare di temperatura e ozono nella stratosfera media e un massimo secondario statisticamente significativo nella stratosfera inferiore equatoriale. Invece, l’esperimento QBO ovest mostra un minimo relativo nella risposta solare di temperatura e ozono nella stratosfera inferiore, un modello qualitativamente coerente con le osservazioni [es., Labitzke, 2003].

[58] 3. Si ipotizza che le differenze nelle risposte solari di QBO est e ovest siano legate alle differenze nelle climatologie di sfondo.

[59] 4. I massimi e minimi nei segnali solari di temperatura e ozono nella stratosfera inferiore tropicale negli esperimenti QBO est (massimo) e QBO ovest (minimo) possono essere spiegati anche da cambiamenti nella circolazione su larga scala, come la modulazione del PNJ e del BDC. Il BDC si indebolisce tra il minimo solare e il massimo solare durante gli anni di QBO est e si rafforza durante gli anni di QBO ovest.

[60] 5. La risposta solare agli esperimenti QBO est e ovest nell’ozono stratosferico tropicale inferiore mostra differenze coerenti ma non significative nei termini di produzione, avvezione e perdita. Mentre la produzione e l’avvezione contribuiscono al massimo dell’ozono stratosferico inferiore durante le condizioni di QBO est, questi effetti tendono ad annullarsi reciprocamente durante le condizioni di QBO ovest, risultando in minimi cambiamenti netti dell’ozono.

[61] 6. I risultati del WACCM3, in particolare per la fase QBO est, evidenziano una struttura verticale nella risposta solare tropicale simile ad altri recenti studi CCM [ad es., Austin et al., 2007, 2008; Matthes et al., 2007]. Questi studi hanno identificato segnali solari in scenari con variabilità temporale sia del ciclo solare che delle SST, mentre altri hanno riprodotto risultati simili con condizioni fisse del ciclo solare e SST climatologiche. A differenza di questi studi, i risultati da WACCM3 dimostrano una chiara dipendenza del segnale solare tropicale dalla fase della QBO imposta, con una risposta notevolmente potenziata, ma più marcata per la fase QBO est. Questo sottolinea che la modellazione della QBO è una sfida significativa per i modelli atmosferici, e il ruolo della QBO merita ulteriori indagini.

[62] 7. Le differenze nella risposta solare modellata per le fasi QBO est e ovest alle alte latitudini sono qualitativamente in linea con altri studi GCM e modellistici, confermando qualitativamente anche le osservazioni storiche [Labitzke, 1987; Kodera e Kuroda, 2002]. Durante gli anni di massimo solare, si osserva che la stratosfera polare è tendenzialmente fredda e tranquilla durante la QBO est, e calda e turbolenta durante la QBO ovest, con risultati particolarmente evidenti e statisticamente significativi a settembre durante l’inverno dell’emisfero sud.

[63] 8. Non ci aspettiamo una perfetta corrispondenza con le osservazioni dalle simulazioni altamente idealizzate del modello WACCM3. Tuttavia, i risultati dimostrano che, in presenza di una modulazione del PNJ, il meccanismo proposto da Kodera e Kuroda [2002] è efficace nella stratosfera, permettendo di rilevare un segnale dalla stratosfera fino alla troposfera ad alte latitudini.

[64] Le simulazioni a forzature costanti utilizzate in questo studio sono confrontate con forzature più realistiche e variabili nel tempo in un altro insieme di esperimenti di modello (Matthes et al., manoscritto in preparazione, 2010). Un’altra limitazione dei risultati attuali è l’uso di SST fisse, che probabilmente riducono la variabilità e attenuano la risposta nella troposfera. I risultati di Meehl et al. [2009] supportano l’idea che un modello stratosfera-oceano completamente accoppiato sia necessario per generare una risposta solare più realistica.

https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2009JD013020