Sudden Stratospheric Warmings ( parte 1)

Punti chiave sui Riscaldamenti Stratosferici Improvvisi:

• I Riscaldamenti Stratosferici Improvvisi (RSI) sono caratterizzati da rapidi aumenti di temperatura nella stratosfera polare invernale (circa 10-50 km) e da un’inversione dei venti occidentali tipici.
• Gli RSI influenzano non solo la stratosfera, ma l’intera atmosfera dalla superficie fino all’ionosfera.
• Gli effetti dei RSI sulla superficie includono variazioni nel corso del getto aereo, nelle traiettorie delle tempeste, nelle precipitazioni e nell’aumento della probabilità di periodi di freddo.

Riassunto

I Riscaldamenti Stratosferici Improvvisi (RSI) sono fenomeni impressionanti della dinamica dei fluidi in cui si osservano aumenti rapidi e considerevoli della temperatura nella stratosfera polare invernale (circa 10–50 km), associati a un’inversione completa dei venti occidentali tipici del clima invernale. I RSI sono principalmente causati dalla rottura di onde planetarie di grande scala che si propagano verso l’alto dalla troposfera. Durante un RSI, il vortice polare collassa, accompagnato da un rapido riscaldamento della colonna d’aria polare. Questo riscaldamento veloce e la discesa della colonna d’aria polare hanno impatti sul tempo meteorologico nella troposfera, alterando i percorsi dei getti aerei, le traiettorie delle tempeste e la Modalità Annuale Settentrionale (NAM), incluso un aumento della frequenza di irruzioni di aria fredda in Nord America e Eurasia. Gli RSI influenzano l’intera atmosfera sopra la stratosfera, generando effetti estesi sulla chimica atmosferica, le temperature, i venti, le densità di particelle neutre e di elettroni, e i campi elettrici. Questi effetti si estendono dalla superficie alla termosfera e in entrambi gli emisferi. Dato il loro ruolo cruciale nell’atmosfera globale, gli RSI sono considerati un processo fondamentale da analizzare negli studi sui cambiamenti climatici e nelle previsioni climatiche sub-stagionali e stagionali. Questo lavoro esamina le conoscenze attuali sugli aspetti più rilevanti relativi agli RSI, dal contesto storico ai processi dinamici coinvolti, alla modellazione, alla chimica e all’impatto su altri strati atmosferici.

La stratosfera è uno strato dell’atmosfera che si trova tra circa 10 e 50 chilometri sopra la Terra. A queste altitudini, la pressione dell’aria scende fino a circa 1 hPa, che è solo lo 0,1% della pressione che si trova a livello del mare. Durante l’inverno polare, la stratosfera è tipicamente molto fredda e caratterizzata da forti venti occidentali. Circa ogni due anni nell’emisfero settentrionale, si verifica un fenomeno in cui il normale vortice tranquillo si riscalda rapidamente nell’arco di una o due settimane. Questo porta a un rallentamento drastico dei venti, che possono anche invertire la direzione, diventando simili ai venti estivi orientali. Questi eventi, noti come riscaldamenti stratosferici improvvisi (SSW), sono stati scoperti nei primi anni ’50 e oggi vengono monitorati dettagliatamente dai satelliti.

Abbiamo una buona comprensione dei meccanismi dinamici che causano i SSW, ma la nostra conoscenza di come questi influenzino il clima in superficie e l’atmosfera superiore è ancora incompleta. Si è osservato che le variazioni nella circolazione stratosferica, con gli SSW come evento estremo, sono associate a spostamenti nel jet stream e nei percorsi delle tempeste. Questi cambiamenti hanno effetti sulle precipitazioni e sulle temperature. Si nota anche un impatto sulla probabilità di periodi di freddo intenso e tempeste di vento dannose. Quasi tutti i SSW si sono verificati nell’emisfero settentrionale, ma ci fu un notevole e spettacolare SSW nel 2002 nell’emisfero meridionale.

La stratosfera invernale è caratterizzata da un forte vortice polare occidentale e freddo. Questo vortice si forma principalmente a causa del raffreddamento radiativo ed è caratterizzato da una banda di forti venti occidentali nelle latitudini medie e alte. Le temperature tipiche nell’emisfero settentrionale polare a 10 hPa sono intorno a -55 a -65°C. Circa ogni due anni, questo vortice invernale viene interrotto dalle onde planetarie in misura tale che la circolazione collassa, trasformando i venti occidentali in deboli venti orientali, e le temperature salgono a circa -30°C — praticamente condizioni estive. Questo fenomeno, noto come riscaldamento stratosferico improvviso (SSW), avviene rapidamente.

Un evento di riscaldamento improvviso nel 2018/19, insieme alla climatologia di fondo e alla variabilità del vento zonale e della temperatura media dal 65° al 90°N a 10 hPa, dimostra che sia le temperature più basse che quelle più alte registrate sono avvenute in pieno inverno. Al di fuori dell’inverno, la stratosfera rimane tranquilla. L’evento di riscaldamento (rappresentato da una curva rossa) è seguito, dopo più di un mese, da temperature anormalmente basse e venti forti nella stratosfera media.

Illustrando le anomalie della temperatura media zonale mediate sui giorni 0-30 seguenti gli eventi SSW, si nota che la stratosfera superiore si raffredda, e c’è un leggero raffreddamento nelle medie latitudini e nei tropici per compensare il riscaldamento adiabatico verso il basso sopra il cappuccio polare. I vettori rappresentano il movimento approssimativo coerente con le anomalie di temperatura (e di pressione, non mostrate). Per maggiori dettagli sul calcolo, vedere Baldwin et al. (2020). È particolarmente degno di nota il movimento polare della massa vicino alla superficie alle alte latitudini, che porta a una maggiore pressione superficiale artica dopo gli SSW.”

Gli effetti dei riscaldamenti stratosferici improvvisi (SSW) persistono molto più a lungo nella stratosfera inferiore e nella troposfera rispetto a quanto non facciano nella stratosfera superiore. La Figura 3a mostra una composizione ritardata delle anomalie di temperatura per gli eventi SSW, basata sui dati JRA-55 (1958-2015). Oltre i 30 km di altezza, gli eventi SSW si concludono entro due o tre settimane, mentre nella stratosfera più bassa persistono per oltre due mesi in media. Ciò è in gran parte dovuto alla scala temporale radiativa più rapida nella stratosfera superiore. I compositi di anomalie di pressione (Figura 3b) mostrano tendenze simili a quelle della temperatura, ma con effetti sulla superficie chiaramente visibili. La natura ‘a grumi’ del segnale di superficie è attribuibile alla media di un numero relativamente ridotto di SSW. Mediando sui giorni da 0 a 60, l’anomalia della pressione di superficie è di 2,1 hPa, ma si riduce a soli 0,74 hPa vicino alla tropopausa. Questo fenomeno è noto come ‘amplificazione di superficie’. Il fatto che l’anomalia di pressione derivante dagli SSW sia maggiore in superficie è significativo. Indica che i processi troposferici vicino alla superficie devono rinforzare il segnale stratosferico, aumentando la pressione superficiale sopra il cappello polare (vedi Sezione 7).

Dal punto di vista della dinamica dei fluidi, gli SSW sono fenomeni affascinanti. Il modo più semplice e intuitivo per interpretare questa dinamica è tramite le mappe di vorticità potenziale (PV; vedi Sezione 4), come descritto da McIntyre & Palmer (1983, 1984). Le mappe di PV nella stratosfera media mostrano come la rottura delle onde planetarie eroda il vortice polare, affinandone i bordi. Tutti gli SSW sono preceduti da un’erosione del vortice. L’erosione causata dalla rottura delle onde crea una ‘zona di surf’ intorno al vortice. Con una risoluzione sufficientemente dettagliata, si possono osservare filamenti sottili di PV che vengono strappati via dal vortice e dispersi nella zona di surf. Questa visione orizzontale si contrappone alla visione media zonale, che evidenzia principalmente rapidi aumenti della temperatura man mano che l’aria discende verso il cappello polare, accompagnati da un rallentamento dei venti zonali.

Le diverse teorie che spiegano l’occorrenza degli SSW sono discusse nella Sezione 4.

Una questione sottostante è se i Riscaldamenti Stratosferici Improvvisi (SSW) siano eventi estremi unici dal punto di vista dinamico. Alla luce delle distribuzioni osservate di temperature, venti, vorticità potenziale (PV), ecc., ci si interroga se gli SSW si distinguano come eccezioni dalla distribuzione generale. Oppure, gli SSW rappresentano semplicemente una delle estremità della distribuzione? Nell’Emisfero Settentrionale (NH), sembra che gli SSW occupino proprio una delle code della distribuzione. Esiste un ampio spettro di riscaldamenti, che variano da lievi a notevoli deviazioni rispetto alla climatologia standard (Coughlin & Gray, 2009). Di conseguenza, determinare se si è verificato un SSW si riduce a stabilire una soglia definita (ad esempio, in termini di campi stratosferici assoluti come il vento polare e/o la temperatura a un certo livello) o un campo relativo (ad esempio, basato sulla variabilità della stratosfera polare come il Modo Annuale Settentrionale o soltanto sulla variabilità della temperatura polare (Butler et al., 2015)). Esistono diversi criteri per identificare gli eventi di SSW maggiori, come verrà spiegato nella Sezione 3. Questi criteri, pur identificando spesso gli stessi eventi maggiori e disruptivi, differiscono nella misura quantitativa e nel timing degli eventi.

Nell’Emisfero Meridionale (SH), si è verificato un solo SSW maggiore, che è stato straordinario (Kruger et al., 2005). In termini di velocità quotidiana del vento zonale, l’evento era circa otto deviazioni standard distante dalla media. Per quanto raro, un evento simile si è verificato all’inizio di settembre 2019, sebbene non soddisfacesse tecnicamente i criteri stabiliti per un SSW maggiore (Hendon et al., 2019). Gli eventi di riscaldamento nell’Emisfero Meridionale sono significativi perché ostacolano la forte degradazione eterogenea dell’ozono, prevenendo di fatto la formazione del buco dell’ozono, e perché influenzano i flussi a getto, le precipitazioni (e le siccità), in particolare in Australia (ad esempio, Thompson et al., 2005; Lim et al., 2019).

Gli SSW (Riscaldamenti Stratosferici Improvvisi) non sono rilevanti solo per la stratosfera polare, ma hanno un impatto sull’intera atmosfera. Essi influenzano la circolazione nella stratosfera tropicale (come illustrato, per esempio, da Kodera et al., 2011) e si estendono oltre, causando la miscelazione di costituenti chimici come l’ozono, come indicato nella Sezione 9. Il notevole movimento discendente sopra la calotta polare associato agli SSW è controbilanciato da un movimento ascendente a sud di circa 50°N, che si estende fino all’Emisfero Meridionale (come mostrato nella Figura 2). È anche osservabile un’ascesa (e quindi un raffreddamento) nella stratosfera superiore polare, che si prolunga nella mesosfera (Körnich & Becker, 2010). Gli SSW possono avere un impatto sulla chimica della termosfera, sulle temperature, sui venti, sulle densità di elettroni e sui campi elettrici, influenzando entrambi gli emisferi (come discusso da Chau et al., 2012). Questi effetti vengono approfonditi nella Sezione 8.

Nonostante ciò, l’effetto più significativo degli SSW si manifesta nella troposfera, come riassunto nella Sezione 7. È stato osservato che gli SSW producono effetti sostanziali e duraturi sul clima e sulle condizioni meteorologiche di superficie, influenzando in particolare la pressione al livello del mare (SLP) e il Modo Annuale Settentrionale (NAM). Questo comporta variazioni nei flussi a getto, nelle traiettorie delle tempeste e nelle precipitazioni (come discusso, ad esempio, da Baldwin & Dunkerton, 2001). Questi effetti sono considerevolmente più ampi di quanto possa essere spiegato dalle teorie dinamiche, come l’inversione della vorticità potenziale (PV) (vedi ad esempio, Charlton et al., 2005) o la risposta troposferica alla forzatura delle onde stratosferiche. Si ipotizza che processi troposferici, possibilmente legati ad anomalie di temperatura a bassi livelli nell’Artico, contribuiscano ad amplificare il segnale stratosferico (come esposto da Baldwin et al., 2020).

Dato il significativo impatto degli eventi SSW (Riscaldamenti Stratosferici Improvvisi) sull’intera atmosfera, sono stati compiuti numerosi sforzi per studiarne la prevedibilità. È possibile prevedere gli SSW con una discreta affidabilità con un anticipo di circa 10-15 giorni (come indicato da Tripathi et al., 2015; Karpechko, 2018; Domeisen, Butler, et al., 2020a). Sono stati identificati, attraverso osservazioni, vari fenomeni al di fuori della stratosfera polare che potrebbero influenzare la probabilità di occorrenza degli SSW. Alcuni di questi fenomeni sono collegati alla stratosfera tropicale, come l’Oscillazione Quasi-Biennale (QBO) e l’Oscillazione Semi-Annuale (SAO) della stratosfera equatoriale. Altri fenomeni sono associati al sistema oceano-atmosfera, come l’El Niño-Oscillazione Meridionale (ENSO) e l’Oscillazione di Madden-Julian (MJO), mentre alcuni fanno riferimento a fenomeni esterni alla Terra, come il ciclo solare di 11 anni. Con un numero limitato di SSW, circa 40 dal 1958, e molteplici influenze potenziali, quantificare queste relazioni rappresenta una sfida considerevole.

In questo studio, forniamo una revisione approfondita della nostra comprensione degli aspetti principali degli SSW. Nella Sezione 2 viene presentato un contesto storico e nella Sezione 3 viene descritta la classificazione di questi eventi. Le teorie dinamiche che spiegano l’occorrenza degli SSW sono incluse nella Sezione 4, mentre i fattori esterni che possono influenzarli sono discussi nella Sezione 5. La prevedibilità degli SSW è trattata nella Sezione 6, e i loro effetti sul clima e sulle condizioni meteorologiche sono esposti nella Sezione 7. Gli impatti che superano la stratosfera sono descritti nella Sezione 8, e le questioni chimiche e di tracciamento sono esaminate nella Sezione 9. Infine, le conclusioni e le prospettive future sono fornite nella Sezione 10.

2 Historical background

166 SSW (sudden stratospheric warming, ovvero riscaldamenti stratosferici improvvisi) sono stati scoperti da Richard Scherhag attraverso misurazioni della temperatura realizzate con radiosonde sopra Berlino, in Germania. Scherhag iniziò misure regolari con radiosonde dall’area dell’ex aeroporto di Tempelhof a Berlino a partire dal gennaio del 1951. In qualità di professore e direttore dell’Istituto di Meteorologia di recente costituzione presso la Freie Universität di Berlino, egli era interessato ad esplorare la stratosfera. Grazie al supporto degli alleati americani nella Berlino post-bellica, poté utilizzare un nuovo tipo di radiosonda statunitense che impiegava palloni in neoprene. Questi dispositivi fornivano misurazioni regolari della stratosfera fino a un’altezza di circa 30 km, corrispondenti a circa 10 hPa.

Nella sua prima pubblicazione, datata primavera 1952, Scherhag riportò un ‘riscaldamento esplosivo dell’alta stratosfera’ avvenuto nel gennaio 1952 e concluse che l’entità del riscaldamento osservato era troppo intensa per essere giustificata dalla semplice advezione (trasporto di calore tramite movimento dell’aria) (Scherhag, 1952a). Questo fenomeno, definito da Scherhag come ‘Fenomeno di Berlino’, si manifestò nel seguente modo: ‘Mentre tutte le temperature stratosferiche misurate variavano tra -56 e -69°C il 26 gennaio, solo due giorni dopo si registrò una temperatura di -37°C a 13 hPa. Ciò indicava l’inizio di un improvviso riscaldamento di 30 gradi a partire dal 27 gennaio. Il 30 gennaio, la temperatura raggiunse i -23°C a 10 hPa, seguita da un rapido abbassamento della temperatura.’ Scherhag osservò inoltre che questo riscaldamento si propagò lentamente verso i livelli più bassi, raggiungendo il livello di pressione di 200 hPa nel giro di una settimana. Questo primo episodio di riscaldamento fu seguito, circa un mese dopo, da un secondo episodio di riscaldamento ancora più intenso, che raggiunse un picco di -12.4°C (un incremento di circa 37°C in due giorni) a 10 hPa il 23 febbraio, con un cambiamento nella circolazione atmosferica verso venti di direzione sud-orientale nella media stratosfera. La figura 4 illustra le misurazioni della temperatura effettuate con radiosonde a Tempelhof il 21 febbraio (prima del riscaldamento), il 23 febbraio (al culmine del SSW) e il 28 febbraio (dopo il picco) (Wiehler, 1955).

Anche nel febbraio 1952, i dati relativi ai venti di alta quota raccolti con radiosonde sopra il nord degli Stati Uniti indicavano un aumento della frequenza dei venti orientali a 50 hPa, associati a una circolazione anticiclonica persistente e chiusa a nord-ovest della Baia di Hudson, accompagnati da un riscaldamento sul Canada e sulla Groenlandia (Darling, 1953).

Nei primi tentativi di spiegare l’inaspettato riscaldamento della stratosfera invernale, nel 1952 Scherhag e Willett sospettavano che una grave eruzione solare avvenuta il 24 febbraio fosse la causa. Oggi sappiamo che gli effetti solari non sono sufficientemente forti da indurre singoli eventi di riscaldamento stratosferico improvviso (SSW), tuttavia, un legame statistico tra la frequenza degli SSW e l’attività solare è ancora oggetto di discussione. Un riscaldamento stratosferico simile era stato osservato anche l’anno precedente, nel febbraio del 1951, attraverso misurazioni effettuate dall’Ufficio Meteorologico Britannico con radiosonde e radar in Inghilterra e Scozia. Questo evento era accompagnato da un’inversione dei venti della bassa stratosfera in direzione est, che in seguito tornarono a soffiare da ovest prima del cambio stagionale ai venti estivi orientali, come riportato da Scrase nel 1953. Successivamente, occorsero gli inverni del 1956/57 e 1957/58 per osservare SSW di intensità simile, analizzati su mappe create appositamente per i livelli di pressione stratosferica, come documentato da Teweles nel 1958 e da Teweles & Finger nel 1958. La Figura 5 mostra l’evoluzione della temperatura a 50 hPa ad Alert, nell’Isola di Ellesmere, durante tre inverni con riscaldamenti stratosferici negli anni ’50.

Con l’inizio dell’Anno Geofisico Internazionale (IGY) nel luglio 1957, aumentò il numero di palloni radiosonda che raggiungevano altitudini superiori ai 30 km. Mappe stratosferiche regolari, quotidiane o ogni cinque giorni, a livelli di 100, 50, 30 e 10 hPa per l’Emisfero Settentrionale, iniziarono ad essere pubblicate da diversi centri, come l’Ufficio Meteorologico degli USA, il Gruppo di Ricerca sulla Meteorologia Artica dell’Università McGill di Montreal e il Gruppo di Ricerca Stratosferica della Freie Universität di Berlino. Le razzo-sonde meteorologiche fornirono nuove intuizioni; ad esempio, si scoprì che il forte riscaldamento stratosferico a Fort Churchill nel gennaio 1958 era avvenuto alcuni giorni prima nella regione di altitudine sopra i 40 km rispetto agli strati inferiori, come rilevato da Stroud e collaboratori nel 1960.

Inoltre, sono stati rilevati riscaldamenti intensi nella stratosfera superiore, che non erano mai stati rilevati al di sotto dei 10 hPa. Per acquisire un numero maggiore di misurazioni in alta quota durante i riscaldamenti stratosferici, il sistema di allerta STRATWARM è stato istituito dall’Organizzazione Meteorologica Mondiale (WMO) nel 1964. Questi allarmi includevano informazioni sull’intensità e il movimento dei riscaldamenti e venivano distribuiti a livello internazionale dai centri meteorologici di Melbourne, Tokyo, Berlino e Washington D.C. Come suggerito nel rapporto WMO/IQSY del 1964, gli SSW sono stati classificati in base al loro periodo di occorrenza (‘riscaldamenti di metà inverno’ contro ‘riscaldamenti finali’ alla fine dell’inverno) e alla loro intensità. Mentre i ‘riscaldamenti minori di metà inverno’ erano caratterizzati da un forte riscaldamento della stratosfera artica a 10 hPa e livelli superiori, i ‘riscaldamenti maggiori di metà inverno’ dovevano essere inoltre accompagnati da un completo rovesciamento della circolazione, da venti occidentali a orientali a 60°N e oltre. Le definizioni alternative degli SSW sviluppate in seguito sono discusse nella Sezione 3.

Nell’appello per ulteriori dati dalla alta atmosfera, Scherhag et al. (1970) sollevò la questione se ‘una conoscenza dettagliata della circolazione stratosferica si sarebbe rivelata preziosa, per esempio, nella previsione meteorologica’. Egli affermò che per una completa esplorazione delle probabilità di previsione devono essere note le relazioni di fase tra gli eventi nella stratosfera e nella troposfera. Infatti, Scherhag aveva già speculato sull’impatto degli SSW sulle condizioni meteorologiche superficiali nel suo rapporto iniziale del 1952, in cui evidenziava un calo nella precisione delle previsioni meteorologiche a seguito dell’SSW del febbraio 1952, forse correlato al fatto che le informazioni stratosferiche non erano incluse nelle previsioni.

Effettivamente, alcuni studi iniziali avevano indicato una possibile interazione tra il numero di onda zonale 2 nella troposfera e nella stratosfera durante il riscaldamento del 1967/68 (Johnson, 1969) e il ruolo dei blocchi troposferici nello scatenare i riscaldamenti stratosferici (Julian & Labitzke, 1965). Un esempio iniziale dell’accoppiamento tra stratosfera e troposfera è illustrato nella Figura 6, che mostra le mappe di altezza a 10 hPa all’inizio (18 gennaio, pannello sinistro) e al culmine (27 gennaio, pannello centrale) del riscaldamento stratosferico del 1963, e la mappa della pressione superficiale del 31 gennaio (Figura 6, pannello destro) (Scherhag, 1965). Pochi giorni dopo il riscaldamento stratosferico, si formò un anticiclone di superficie sopra la Groenlandia, che si estese attraverso la troposfera fino alla stratosfera media. Ciò era coerente con quanto descritto da Labitzke (1965), che aveva osservato la formazione di un blocco troposferico circa dieci giorni dopo un riscaldamento stratosferico, e da Quiroz (1977), che aveva trovato variazioni della temperatura troposferica in seguito a un riscaldamento stratosferico.Con l’avvento dell’era satellitare nel 1979, un miglioramento significativo nella copertura dei dati ha permesso importanti progressi nella comprensione della dinamica stratosferica e dei Riscaldamenti Stratosferici Improvvisi (SSW). McIntyre e Palmer nel 1983 presentarono le prime mappe osservative su scala emisferica della Vorticità Potenziale (PV) su una superficie di temperatura potenziale stratosferica media (850 K), basandosi sui nuovi dati di radianza forniti dall’Unità di Sondaggio Stratosferico (SSU). Queste mappe mostravano chiaramente l’esistenza di un’ampia ampiezza del primo numero di onda planetario che precedeva l’evento SSW del 1979, con un’evoluzione successiva che evidenziava la rottura dell’onda. Le mappe mostravano inoltre la divisione del vortice durante il maggiore SSW del 1979 in termini di PV a 850 K. I dati satellitari hanno continuato a fornire importanti limitazioni osservative sulla dinamica e sulle caratteristiche di trasporto associate agli eventi SSW, come dimostrato ad esempio da Manney, Harwood e altri nel 2009 (si veda anche la Sezione 9).

La Figura 1 presenta due grafici correlati alle condizioni atmosferiche nella stratosfera durante il periodo 2018-2019, con dati forniti dal NOAA Climate Prediction Center.

Analizziamo più in dettaglio la Figura 1:

Grafico Superiore (Temperature Zonali a 10 hPa)

• Linea Rossa: Mostra un evento di riscaldamento stratosferico improvviso (SSW), che è un aumento rapido e significativo delle temperature a circa 10 hPa di altitudine, che corrisponde a una quota di circa 30 km sopra la superficie terrestre. Questi eventi possono portare a cambiamenti nei modelli meteorologici che si verificano settimane dopo il riscaldamento.
• Linea Gialla: Indica la temperatura media zonale per il periodo dell’anno, calcolata su una serie storica di dati.
• Ombreggiature Grigie: Rappresentano il range di variazione di temperatura comune per il periodo, con il 70° e il 90° percentile. Più l’ombreggiatura è scura, più alta è la probabilità che le temperature si verifichino entro quel range.
• Linee Nere: Indicano i valori massimi e minimi di temperatura osservati dal 1979 al 2019.
• Linee Verdi Sottili: Sono le previsioni del modello climatico per il periodo in questione.

Grafico Inferiore (Vento Zonale a 10 hPa)

• Linea Rossa: Indica il cambiamento dei venti da occidentali a orientali, che è un altro indicatore di un evento SSW. La velocità del vento che scende sotto lo zero indica il passaggio a venti easterlies, che sono meno comuni a queste altitudini.
• Linea Gialla, Ombreggiature Grigie, e Linee Nere: Hanno lo stesso significato del grafico superiore, ma si riferiscono alla velocità del vento zonale invece che alla temperatura.

Importanza di questi Grafici

• Gli eventi SSW sono associati a cambiamenti nella circolazione atmosferica globale che possono influenzare i modelli del tempo per settimane o mesi, potenzialmente portando a inverni più freddi nelle latitudini medie.
• Prevedere un SSW e comprenderne gli impatti può migliorare notevolmente la nostra capacità di fare previsioni meteorologiche a lungo termine.

In sintesi, questa figura mostra un confronto tra le condizioni osservate e quelle attese/storiche per la temperatura e la velocità del vento nella stratosfera, che sono indicatori chiave per comprendere e prevedere i cambiamenti nel sistema climatico terrestre.

La Figura 2 che hai caricato rappresenta le anomalie di temperatura nell’atmosfera terrestre nei giorni immediatamente seguenti a un evento di riscaldamento stratosferico improvviso (SSW). Questi eventi sono caratterizzati da un rapido riscaldamento della stratosfera polare e possono influenzare i modelli meteorologici a livelli più bassi nell’atmosfera.

La figura mostra un composto basato su 36 eventi di SSW tra il 1958 e il 2015, utilizzando i dati di JRA-55 per 1116 giorni. Gli eventi di SSW sono stati identificati attraverso il cambiamento di direzione del vento zonale medio a 60°N e 10 hPa, seguendo il criterio di Charlton e Polvani (2007).Di seguito una spiegazione più minuziosa della figura:

1. Anomalie di temperatura (Contorni e Colori):
   • I contorni tracciati nella figura rappresentano le anomalie di temperatura, cioè la differenza dalla temperatura media per quel periodo e luogo.
   • Le linee chiuse indicano regioni dove la temperatura è anomala di una certa quantità. Ogni linea rappresenta un incremento o decremento di 1 Kelvin dalla media.
   • I colori aiutano a visualizzare la magnitudine delle anomalie. Le tonalità di blu indicano anomalie negative (temperature più fredde della media), mentre le tonalità di arancione e rosso indicano anomalie positive (temperature più calde della media).
2. Vettori di movimento di massa:
   • I vettori (le frecce) illustrano la direzione approssimativa e la relativa grandezza del movimento di massa che contribuisce a creare le anomalie di temperatura e pressione osservate.
   • La direzione del vettore indica dove la massa si sta muovendo da (coda) e verso (punta).
   • La lunghezza del vettore dà un’indicazione della grandezza del movimento di massa.
3. Coordinate e Assi:
   • L’asse orizzontale mostra la latitudine in gradi, con il Polo Nord a +90° e il Polo Sud a -30°.
   • L’asse verticale sinistro mostra l’altezza sopra la superficie terrestre in chilometri.
   • L’asse verticale destro corrisponde alla pressione atmosferica in hPa, che diminuisce con l’aumento dell’altitudine. Questo è indicativo dei vari strati dell’atmosfera, con pressioni più basse corrispondenti a strati più alti come la stratosfera.
4. Tropopausa (Linea grigia):
   • La linea grigia tratteggiata rappresenta la tropopausa, che varia nel corso dei giorni considerati nell’analisi.
   • La tropopausa è significativa perché è la regione in cui si verifica un cambiamento nelle proprietà dell’atmosfera, segnando il confine superiore della troposfera, dove avvengono la maggior parte dei fenomeni meteorologici, e l’inizio della stratosfera.
5. SSWs e Metodologia:
   • L’analisi è basata su eventi SSW, durante i quali il vento zonale (parallelo alle latitudini) all’altezza di 10 hPa e a 60°N si inverte, indicando un riscaldamento stratosferico.
   • La metodologia e i criteri di identificazione degli eventi di SSW si basano sul lavoro di Charlton e Polvani (2007), che stabiliscono le condizioni specifiche per definire un SSW.
6. Importanza della Figura:
   • Questa analisi è cruciale per comprendere le variazioni termiche nella stratosfera che possono avere impatti significativi sul clima e sulla circolazione atmosferica a livello globale.
   • Questi eventi possono influenzare i modelli di circolazione atmosferica e possibilmente collegarsi a condizioni meteorologiche estreme a latitudini più basse.

In conclusione, questa figura rappresenta un complesso insieme di dati che forniscono informazioni sul comportamento dell’atmosfera in seguito a eventi di riscaldamento stratosferico improvviso, contribuendo alla nostra comprensione dei sistemi climatici terrestri.

Figura 3a: Anomalie della Temperatura La figura (a) mostra le anomalie di temperatura media nel cappuccio polare (da 65 a 90 gradi Nord). Queste anomalie sono misurate in Kelvin (K) e sono rappresentate in relazione al tempo (giorni) sull’asse delle ascisse e all’altitudine (espressa sia in chilometri che in ettPascal, hPa, sul lato destro) sull’asse delle ordinate. Gli eventi SSW sono caratterizzati da un riscaldamento rapido della stratosfera e sono identificati dal ribaltamento del vento zonale medio a 60 gradi Nord e 10 hPa, secondo i criteri di Charlton e Polvani (2007). Le linee di contorno rappresentano diverse anomalie di temperatura, con un intervallo di 1K tra le linee. La linea grigia indica la tropopausa, che è il confine tra la troposfera e la stratosfera, mostrando un abbassamento di circa 750 metri seguendo i riscaldamenti, il che indica che tali eventi possono influenzare significativamente la struttura dell’atmosfera.

Figura 3b: Anomalie della Pressione La figura (b) presenta un composito simile, ma per le anomalie di pressione nel cappuccio polare. Anche queste anomalie sono rappresentate rispetto al tempo (giorni) e all’altitudine (chilometri e hPa). L’intervallo di contorno qui è di 0,25 hPa. Il modello delle anomalie fornisce un’indicazione di come la pressione nella stratosfera sia perturbata durante e dopo gli eventi SSW.

In sintesi, queste figure illustrano i cambiamenti atmosferici significativi che si verificano durante gli eventi SSW, mostrando come la temperatura e la pressione nella stratosfera polare siano modificate. Questi eventi possono avere effetti a catena sui modelli meteorologici e sono un argomento di studio in meteorologia e scienza del clima.

La figura che hai caricato sembra essere un grafico che rappresenta i dati della temperatura raccolti tramite radiosonde a Berlino-Tempelhof durante il primo riscaldamento stratosferico improvviso registrato dal 21 al 28 febbraio 1952. Questo tipo di evento si verifica nella stratosfera e può portare a significativi cambiamenti del clima a livello del suolo nelle settimane successive.

Il grafico mostra la temperatura (sull’asse verticale, in gradi Celsius) in funzione dell’altezza (sull’asse orizzontale, in metri). Le linee sul grafico rappresentano le misurazioni in diversi giorni durante l’intervallo di tempo indicato. I numeri lungo le linee probabilmente indicano i giorni del mese di febbraio. Ad esempio, il numero “21” indica il 21 febbraio.

Di seguito vado ad esaminare la figura passo dopo passo per una migliore comprensione:

1. Tipo di Grafico: Il grafico è una rappresentazione verticale delle misurazioni della temperatura dell’atmosfera a varie altitudini. Questo tipo di grafico è comunemente usato in meteorologia per analizzare la struttura termica dell’atmosfera.
2. Assi:
   • L’asse verticale (Y) indica l’altitudine in metri (m). Si estende dal livello del suolo fino a circa 25 km di altezza.
   • L’asse orizzontale (X) mostra la temperatura in gradi Celsius (°C). Le temperature sono mostrate da molto fredde (a sinistra) a meno fredde (a destra).
3. Linee del Grafico:
   • Ogni linea nel grafico rappresenta un profilo di temperatura in un giorno specifico tra il 21 e il 28 febbraio 1952.
   • La forma delle linee suggerisce che ci sono stati cambiamenti notevoli nella temperatura a varie altitudini in questi giorni.
4. Riscaldamento Stratosferico Improvviso (SSI):
   • Questo fenomeno si verifica quando la temperatura nella stratosfera (la seconda principale fascia dell’atmosfera terrestre) aumenta rapidamente in un breve periodo di tempo.
   • Gli SSI possono influenzare i modelli di circolazione atmosferica e possono avere conseguenze sul tempo meteorologico nelle settimane successive, incluso il potenziale indebolimento o rovesciamento del vortice polare.
5. Dati Specifici:
   • Per esempio, si può notare che a un’altitudine di circa 20 km, c’è un incremento significativo della temperatura in pochi giorni, come indicato dalle linee che si spostano verso destra (indicando temperature più calde) man mano che si procede da una linea all’altra. Questo indica un classico segno di un SSI.
6. Fonte:
   • La figura è tratta da un lavoro di Wiehler del 1955, che suggerisce che questi dati sono stati pubblicati in uno studio scientifico di quell’epoca.

Le misurazioni delle radiosonde sono fondamentali per fornire dati in situ sull’atmosfera, che sono utili non solo per la ricerca scientifica ma anche per le previsioni meteorologiche quotidiane. Questo particolare grafico documenta un evento storico importante e fornisce un’istantanea di come un SSI si manifesta nell’atmosfera.

La figura 5 è un grafico che mostra la serie temporale della temperatura a 50 hPa sopra Alert, nell’isola di Ellesmere, durante gli inverni in cui si sono verificati riscaldamenti stratosferici negli anni ’50, come riportato da Warnecke nel 1962.

Ecco una spiegazione dettagliata:

1. Assi:
   • Asse Orizzontale (Tempo): Il tempo è rappresentato sull’asse orizzontale, estendendosi attraverso i mesi invernali da novembre ad aprile. Questo intervallo di tempo copre la stagione in cui i riscaldamenti stratosferici sono più probabili.
   • Asse Verticale (Temperatura): L’asse verticale misura la temperatura a 50 hPa, che è un livello di pressione corrispondente a una parte elevata della stratosfera. Le temperature vanno da molto fredde (-80°C) a meno fredde (-20°C).
2. Linee del Grafico:
   • Le linee tracciate sul grafico indicano le variazioni di temperatura registrate durante ciascun inverno specifico. Sono presenti tre inverni distinti: 1950-51, 1951-52 e 1952-53.
   • I picchi e le valli sulle linee indicano rispettivamente aumenti e diminuzioni delle temperature stratosferiche.
3. Riscaldamenti Stratosferici:
   • I riscaldamenti stratosferici sono rappresentati dai picchi netti nel grafico, dove la temperatura aumenta improvvisamente.
   • Questi eventi sono significativi perché possono portare a cambiamenti nei modelli di circolazione atmosferica e influenzare il clima a livello del suolo.
4. Analisi dei Dati:
   • Notiamo che in alcuni punti, come inizio di marzo per l’inverno 1951-52, c’è un rapido aumento della temperatura, che è indicativo di un riscaldamento stratosferico improvviso.
   • Questi aumenti di temperatura sono temporanei, come si può vedere dalla successiva discesa delle temperature, ritornando a valori più tipici per quel livello della stratosfera.
5. Interpretazione:
   • L’analisi di queste serie temporali è importante per comprendere la frequenza e l’intensità dei riscaldamenti stratosferici, oltre a studiarne gli effetti a lungo termine sul clima.
6. Contesto Storico:
   • Questi dati sono stati raccolti durante i primi anni delle osservazioni sistematiche dell’alta atmosfera, fornendo una base per studi futuri sul cambiamento climatico e la meteorologia.

In sintesi, la figura mostra che durante gli anni ’50, c’erano episodi distinti di riscaldamento nella stratosfera che variavano di anno in anno, sottolineando la complessità e la variabilità degli eventi atmosferici in alta quota.

1. Mappa dell’altezza a 10 hPa (a sinistra e al centro):
   • Queste mappe rappresentano l’altezza della superficie di pressione a 10 hPa, che è molto alta nell’atmosfera, nella parte inferiore della stratosfera.
   • Le linee curve che vedi sono chiamate “isohypse”. Esse connettono punti che hanno la stessa altezza geopotenziale in metri rispetto al livello del mare, indicando la “collina” e la “valle” dell’atmosfera in alta quota.
   • Le aree etichettate con “H” rappresentano i massimi di geopotenziale, che sono generalmente associati a condizioni atmosferiche più stabili e tempo sereno.
   • Invece, le aree contrassegnate con “L” sono i minimi di geopotenziale, che possono corrispondere a sistemi di bassa pressione o depressioni.
   • Cambiamenti significativi tra le due date suggeriscono che si sono verificati eventi dinamici nell’atmosfera, come lo spostamento o l’intensificazione di un vortice polare.
2. Mappa della pressione al livello del mare (a destra):
   • Questa mappa mostra la distribuzione della pressione atmosferica misurata al livello del mare.
   • Le linee chiamate “isobare” connettono punti con la stessa pressione atmosferica, misurata in hPa o millibar.
   • I “H” indicano le aree di alta pressione, che spesso corrispondono a cieli sereni e condizioni meteorologiche più tranquille.
   • I “L” indicano le aree di bassa pressione, che sono frequentemente associate a nuvolosità, precipitazioni e talvolta a fenomeni meteo più estremi come tempeste o cicloni.
   • I modelli di isobare mostrano anche il flusso dei venti intorno alle alte e basse pressioni. I venti spiraleggiano in senso orario intorno agli alti e in senso antiorario intorno ai bassi nell’emisfero nord (e viceversa nell’emisfero sud).

Le differenze tra le mappe di altezza a 10 hPa e la mappa della pressione al livello del mare indicano come l’atmosfera cambia significativamente con l’altitudine. Gli eventi nella stratosfera, come un riscaldamento stratosferico improvviso, possono influenzare il tempo al suolo settimane dopo l’evento iniziale.

La sequenza temporale delle mappe suggerisce un’analisi dinamica di un evento atmosferico nel tempo, mostrando le variazioni delle condizioni di alta quota rispetto ai cambiamenti osservati al livello del mare. Questo tipo di analisi è vitale per comprendere la connessione tra la stratosfera e la troposfera e il loro impatto complessivo sul tempo e sul clima.