The importance of time-varying forcing for QBO modulation of the atmospheric 11 year solar cycle signal

L’Importanza delle Forzature Variabili nel Tempo per la Modulazione QBO del Segnale del Ciclo Solare Atmosferico di 11 Anni

In uno studio innovativo condotto con il modello climatico comunitario dell’atmosfera intera (WACCM3.1) del National Center for Atmospheric Research, sono stati esaminati gli effetti delle forzature variabili nel tempo del ciclo solare e dell’oscillazione quasi-biennale (QBO). A differenza di studi precedenti, questa ricerca ha impiegato forzature sia separate sia combinate per il ciclo solare e la QBO.

I risultati indicano che la risposta solare media annuale nella stratosfera superiore tropicale non è influenzata dalla presenza della QBO. Tuttavia, la situazione cambia nella stratosfera media e inferiore, dove la risposta varia a seconda delle condizioni del ciclo solare e della QBO, anche se tali risposte rimangono statisticamente simili nei tre diversi esperimenti.

L’analisi dell’evoluzione stagionale mostra che solo l’esperimento che incorpora sia le forzature del ciclo solare sia quelle della QBO si allinea efficacemente con le osservazioni. Ciò sottolinea l’importanza di entrambe le forzature per riprodurre la risposta atmosferica osservata.

Inoltre, durante il massimo solare e le condizioni QBO a regime ovest, si osservano maggiori riscaldamenti stratosferici. Questo fenomeno è attribuito alla modulazione della QBO sul vento zonale medio di fondo, che a sua volta modifica il segnale solare. A seconda delle condizioni del vento di fondo, il segnale solare precoce e debole, presente nella stratosfera superiore subtropicale/inferiore mesosfera all’inizio dell’inverno, è potenziato in condizioni QBO est e ridotto in condizioni QBO ovest. Questa dinamica influisce significativamente sulla trasmissione del segnale solare-QBO durante l’inverno, portando a differenze osservabili verso la fine della stagione invernale.

1. Introduzione

[2] Il ruolo dell’oscillazione quasi-biennale (QBO) nella modulazione della risposta solare dell’atmosfera media e della troposfera è un tema complesso, oggetto di numerosi studi osservativi e di modellazione. Come evidenziato in una recente rassegna di Gray et al. [2010], risulta particolarmente interessante analizzare la struttura verticale del segnale del ciclo solare riguardante temperatura e ozono nella stratosfera tropicale, sia attraverso osservazioni dirette che mediante studi di modellazione. Questo interesse si estende anche alla risposta dinamica alle alte latitudini.

Nei modelli attuali di chimica-clima (CCM), il segnale solare diretto nella stratosfera superiore tropicale è rappresentato in modo accettabile. Tuttavia, si osservano differenze significative nella struttura verticale del segnale solare tra i diversi CCM e tra diversi set di dati osservazionali, soprattutto al di sotto dei 10 hPa [SPARC CCMVal, 2010]. Queste incertezze potrebbero derivare da interazioni non lineari o da fenomeni di aliasing con altri segnali atmosferici quali la QBO, l’Oscillazione Meridionale El Niño (ENSO), e attività vulcaniche.

Austin et al. [2008] propongono che una forzatura variabile nel tempo possa spiegare la struttura verticale più realistica del segnale solare nei CCM, senza evidenziare correlazioni significative con la presenza della QBO. Schmidt et al. [2010], utilizzando il modello HAMMONIA con forzature costanti del ciclo solare e una QBO autoconsistente, sono riusciti a riprodurre il segnale solare tropicale. Matthes et al. [2010] osservano che il segnale solare tropicale in temperature e ozono, simulato con forzature costanti nei CCM, presenta un picco doppio in altitudine e, almeno nel Whole Atmosphere Community Climate Model (WACCM), la struttura verticale risulta influenzata dalla presenza di una QBO. Infine, Tsutsui et al. [2009] hanno impiegato la stessa versione del WACCM di Matthes et al. [2010], con forzature temporali variabili ma senza una QBO guidata.Non sono riusciti a riprodurre il segnale solare a doppio picco documentato da Matthes et al. [2010]. Fino ad oggi, solo pochi modelli di chimica-clima (CCM) sono capaci di generare autonomamente una QBO (Oscillazione Quasi-Biennale), e, per quanto ne sappiamo, non è stata ancora condotta alcuna indagine sulla relazione solare-QBO impiegando forzature solari variabili nel tempo in un CCM con una QBO internamente generata.

[3] Il segnale solare e la sua possibile modulazione da parte della QBO alle alte latitudini, nonché i meccanismi di trasferimento, sono stati a lungo oggetto di studio, come riportato da Gray et al. [2010]. Labitzke [1987] e Labitzke e van Loon [1988] hanno osservato, durante gli anni di massimo solare, un riscaldamento statisticamente significativo della stratosfera polare, con un incremento dei riscaldamenti stratosferici alla fine dell’inverno durante la fase ovest della QBO e un raffreddamento significativo durante la fase est.

Kodera [1991] e Kodera et al. [1991] hanno proposto un meccanismo per questa modulazione solare-QBO osservata, elaborando un’ipotesi di lavoro basata su osservazioni e su esperimenti con un modello di circolazione generale (GCM) altamente idealizzato. In questi studi, l’effetto solare veniva introdotto modificando il tasso di riscaldamento radiativo e l’effetto QBO attraverso l’inserimento di una fonte di momento zonale nella stratosfera equatoriale. Hanno notato che l’attività solare e la QBO equatoriale producono anomalie del vento zonale medio nella stratosfera superiore all’inizio dell’inverno, che influenzano la propagazione delle onde planetarie. Questa interazione tra le onde e il flusso medio trasporta il segnale iniziale d’inverno fino alla stratosfera inferiore verso la fine dell’inverno. I risultati dei loro esperimenti GCM mostrano una modulazione simile alle correlazioni osservate da Labitzke [1987] e Labitzke e van Loon [1988].Matthes et al. [2004] sono riusciti a riprodurre parti della relazione osservata tra il ciclo solare e la QBO in esperimenti con un modello di circolazione generale (GCM), utilizzando forzature più realistiche di sole e QBO, ma solamente prescrivendo un profilo QBO lungo tutto lo spessore della stratosfera equatoriale. Hanno confermato i risultati di Gray et al. [2001], che indicano l’importanza dei venti equatoriali nella stratosfera superiore per determinare la variabilità interannuale del getto notturno polare.

Gray et al. [2004] hanno ulteriormente esplorato l’interazione solare-QBO attraverso esperimenti con modelli idealizzati e rianalisi ERA-40, evidenziando l’influenza delle interazioni solare-QBO sulla tempistica dei riscaldamenti stratosferici improvvisi. Hanno proposto un meccanismo secondo il quale le anomalie del vento zonale nella stratosfera superiore equatoriale/subtropicale, associate alla QBO e al ciclo solare, si rafforzano reciprocamente o si annullano, seguendo le indicazioni di Kodera et al. [1991].

Durante il minimo solare e la fase est della QBO, così come durante il massimo solare e la fase ovest della QBO, le anomalie si intensificano e portano a un incremento dei riscaldamenti stratosferici improvvisi, confermando così la relazione osservata di Labitzke e van Loon. Inoltre, Camp e Tung [2007] hanno confermato alcune parti dei risultati di Labitzke e van Loon, sottolineando che il riscaldamento polare durante gli anni di massimo solare è particolarmente pronunciato nella fase tranquilla della QBO ovest, mentre il segnale solare durante la fase disturbata della QBO est è meno marcato e non statisticamente significativo, potendo variare di segno.

Il segnale solare di 11 anni nella stratosfera si caratterizza per un riscaldamento tropicale all’inizio dell’inverno e un riscaldamento polare verso la fine dell’inverno, dovuto all’interazione tra le onde planetarie e il flusso medio [Kodera e Kuroda, 2002]. Resta da chiarire come il segnale solare interagisca con il segnale della QBO e se i meccanismi di lavoro proposti da Kodera [1991] e Gray et al. [2004] possano essere confermati.Poiché i modelli di chimica-clima (CCM) variano nella rappresentazione dinamica e chimica del clima stratosferico e della sua variabilità, la rappresentazione di un segnale sottile come quello solare risulta complessa e non è stata ampiamente discussa nell’ambito dell’attività di validazione dei CCM per i Processi Stratosferici e il loro Ruolo nel Clima [SPARC CCMVal, 2010]. Questo studio migliora la comprensione della relazione osservata tra il sole e la QBO, attraverso l’analisi di esperimenti con il WACCM3.1, che impiegano cicli solari e QBO variabili nel tempo, offrendo così una rappresentazione più realistica di questi segnali rispetto a studi precedenti.

Gli esperimenti con il WACCM3.1 sono progettati specificamente per isolare l’influenza del ciclo solare e della QBO, senza tenere conto delle variazioni dei gas serra (GHG) o delle temperature della superficie marina (SST). Un recente studio con WACCM3.1 sotto condizioni di forzatura costante di ciclo solare e QBO ha rivelato segnali differenti e statisticamente significativi per le due fasi della QBO nella stratosfera media e inferiore tropicale, così come alle alte latitudini, particolarmente nell’emisfero sud (SH), analizzando in dettaglio il bilancio dell’ozono per le condizioni QBO est e ovest [Matthes et al., 2010].

Questo lavoro esaminerà la rappresentazione del segnale solare nelle stratosfere tropicale e polare sotto forzature variabili, con un focus particolare sul ruolo della QBO nella modulazione del segnale solare stratosferico e troposferico durante tutto l’anno. Include anche un confronto con le analisi del National Centers for Environmental Prediction e del National Center for Atmospheric Research (NCEP/NCAR) di Labitzke et al. [2006].

Il documento è strutturato come segue:

Sezione 7: riporta le conclusioni.

Sezione 2: descrive il modello e il design sperimentale.

Sezione 3: espone i metodi di analisi utilizzati.

Sezione 4: presenta il segnale solare medio annuale in temperatura e ozono da un’analisi di regressione lineare multipla (MLR).

Sezione 5: illustra i risultati da un’analisi composita riguardante le fasi solari e della QBO nella stratosfera inferiore tropicale e la risposta dinamica durante l’inverno nell’emisfero nord (NH) nella stratosfera.

Sezione 6: discute la modulazione della QBO sulla climatologia del vento di fondo e propone un meccanismo per la modulazione solare-QBO.

2. Modello e Descrizione Sperimentale

[4] Il Whole Atmosphere Community Climate Model, Versione 3 (WACCM3.1), sviluppato presso il National Center for Atmospheric Research (NCAR), è un modello di chimica-clima (CCM) completamente interattivo che si estende dalla superficie terrestre fino alla termosfera inferiore (140 km). WACCM3.1 è una versione espansa del Community Atmospheric Model, Versione 3 (CAM3), e include tutte le parametrizzazioni fisiche di CAM3 [Collins et al., 2006].

Il modello integra un approccio dettagliato alla chimica neutra per la media atmosfera basato sul Model for Ozone and Related Chemical Tracers, Versione 3 (MOZART3). Questo meccanismo rappresenta i processi chimici e fisici dalla troposfera alla termosfera inferiore. Le specie chimiche coinvolte appartengono alle famiglie di Ox, NOₓ, HOₓ, ClOₓ, e BrOₓ, insieme a CH₄ e ai suoi prodotti di degradazione [Kinnison et al., 2007].

I gas attivi dal punto di vista radiativo (CO₂, H₂O, N₂O, CH₄, CFC-11, CFC-12, NO, O₃) influenzano i tassi di riscaldamento e raffreddamento e quindi la dinamica atmosferica. Altri processi includono il riscaldamento dovuto a reazioni chimiche, un modello di chimica ionica nella mesosfera/termosfera inferiore (MLT) [Roble, 1995], l’attrito ionico e i processi aurorali [Roble and Ridley, 1987], oltre alle parametrizzazioni della radiazione EUV e Non-local Thermodynamic Equilibrium a onde lunghe [Solomon and Qian, 2005; Formichev, 1998].

La risoluzione orizzontale utilizzata in questo studio è di 1.9° in latitudine e 2.5° in longitudine, identica a quella usata in Matthes et al. [2010].[5] Per attivare il modello con cicli solari di 11 anni e forzature QBO variabili nel tempo, sono state utilizzate serie temporali di 110 anni basate su osservazioni del flusso radio solare a 10.7 cm (f10.7), dell’indice Kp, e del vento equatoriale nella stratosfera. Questa serie temporale copre il periodo da gennaio 1953 a dicembre 2004, che era disponibile al momento dell’inizio della simulazione, e prosegue ripetendo due volte la sequenza osservata dal 1962 al 2004 (Figura 1). L’anno 1962 è stato scelto come punto adatto per estendere la serie temporale perché in quell’anno sia il ciclo solare che la QBO si trovavano in fasi simili rispetto al 2004, permettendo una continuazione fluida della serie esistente.

Le variazioni dell’irradianza dipendenti dalla lunghezza d’onda, descritte in Marsh et al. [2007], sono state regolate con i valori giornalieri di f10.7. La specificazione del ciclo solare segue quella di Tsutsui et al. [2009]. Inoltre, è stata prescritta una QBO seguendo Matthes et al. [2010], che ora include variabilità interciclica basata su osservazioni, con il periodo 1962-2004 che viene ripetuto all’occorrenza dopo il 2004, come sopra descritto.

Il modello è stato eseguito per 10 cicli solari con solo il ciclo solare (SC), il ciclo solare e la QBO (SCQBO), e per 55 anni solo con la QBO (vedi Tabella 1). Come forzatura al limite inferiore sono state utilizzate SST climatologiche che variano mensilmente. Tutte le altre forzature sono state mantenute costanti alle condizioni del 1995, ovvero gas serra (GHG), sostanze che depletano l’ozono (ODS), condizioni ENSO neutre, e la densità di superficie degli aerosol solforati per rappresentare lo strato di aerosol stratosferico. L’anno 1995 è stato scelto perché forniva condizioni medie contemporanee per le concentrazioni di GHG e ODS e non erano presenti eruzioni vulcaniche che influenzavano la stratosfera. Le corse del modello quindi trascurano il feedback oceano-atmosfera così come gli effetti del cambiamento climatico antropogenico.

La Figura 1 mostra le serie temporali delle forzature utilizzate nelle simulazioni di 110 anni:

• (a) Forzatura Solare: Il grafico in alto rappresenta i valori giornalieri del flusso radio solare a 10.7 cm (f10.7), che è un indicatore dell’attività solare. Si osserva una chiara oscillazione con picchi che si verificano ogni circa 11 anni, corrispondenti ai massimi del ciclo solare, alternati da minimi solari. La parte ombreggiata del grafico mostra la sequenza dal 1962 al 2004 ripetuta due volte per estendere la serie temporale oltre il 2004.
• (b) Forzatura del Vento Equatoriale: Il grafico inferiore illustra i valori mensili del vento all’equatore a 50 hPa, rilevanti per lo studio della QBO (Oscillazione Quasi-Biennale). Questo grafico evidenzia un’alternanza regolare dei venti, che cambiano direzione circa ogni due anni tra est e ovest. Similmente al grafico superiore, la parte ombreggiata indica che i dati dal 1962 al 2004 sono stati utilizzati per prolungare la serie temporale oltre il 2004.

Questi grafici sono essenziali per analizzare come le variazioni nel flusso solare e nei venti equatoriali siano simulate nel modello climatico, influenzando le simulazioni dell’atmosfera terrestre durante il periodo di studio.

3. Metodi di Analisi

[6] Per esaminare le simulazioni variabili nel tempo, analizzare come la QBO modula il segnale solare e confrontare i risultati con altri studi pubblicati, utilizziamo un’analisi di regressione lineare multipla (MLR) simile a quella descritta nel capitolo 8 di SPARC CCMVal [2010], unitamente a un’analisi composita per indagare alcuni processi in modo più dettagliato.

3.1. Analisi di Regressione Lineare Multipla (MLR)

[7] L’analisi MLR si basa sul metodo descritto in Bodeker et al. [1998, 2001] e impiegato nel capitolo 8 di SPARC CCMVal [2010]. Questa viene applicata ai dati mensili medi di ozono e temperatura. Poiché i gas serra (GHG), le sostanze che depletano l’ozono (ODS), e le temperature della superficie del mare (SST) sono stati mantenuti costanti, e non si considerano eruzioni vulcaniche, il modello di regressione utilizza un insieme ridotto di predittori detrendizzati rispetto a quello di SPARC CCMVal [2010]. Il primo termine è un offset costante, che rappresenta il ciclo annuale medio espresso tramite una espansione di Fourier. Il secondo termine è un termine di tendenza lineare. Il primo predittore della QBO è identificato come il vento zonale medio mensile a 50 hPa sull’equatore, poiché a questa quota si osserva una forte correlazione tra i venti equatoriali e le temperature invernali del polo nord [van Loon e Labitzke, 1988, Figura 2]. Data la variazione di fase della QBO con l’altezza [es. Gray et al., 2001], viene incluso un secondo predittore QBO, ortogonale al primo, per tener conto della progressione di fase verticale della QBO. Per la funzione di base del ciclo solare di 11 anni, si utilizza il flusso medio mensile di f10.7. Le autocorrelazioni dei residui vengono considerate nel calcolo delle incertezze, espresse come la radice quadrata della somma degli elementi diagonali al quadrato della matrice di covarianza.

3.2. Analisi Composita

[8] L’esperimento SCQBO consente di stratificare la risposta del ciclo solare in base alla fase della QBO tramite un’analisi composita. I massimi solari sono definiti negli anni in cui i valori medi mensili di dicembre del f10.7 superano le 150 unità, mentre i minimi solari si verificano quando il f10.7 è inferiore a 90 unità. Questo classifica il ciclo solare per tutto l’inverno dell’emisfero nord (NH).

Parallelamente, il vento zonale medio tra 51 hPa e 43 hPa e da 2.8°S a 2.8°N in dicembre serve per definire lo stato della QBO per l’intero inverno NH. I venti equatoriali maggiori di 7.5 m/s sono classificati come QBO ovest, mentre quelli inferiori a -2 m/s come QBO est. Questa metodologia porta a un numero equilibrato di casi per ogni combinazione del ciclo solare e della QBO (maxE = 13, minE = 14, maxW = 14, minW = 15).

La validità di questa definizione è stata ampiamente testata, ad esempio attraverso l’uso di diversi criteri di cutoff per la QBO est e ovest, variazioni nelle definizioni di altezza della QBO, definendo la QBO separatamente in ogni mese, o considerando una media di 2 mesi dello stato del ciclo solare e della QBO nei mesi di novembre/dicembre o gennaio/febbraio.

Poiché in dicembre la stratosfera è prevalentemente influenzata da fattori radiativi e la forzatura solare diretta iniziale è la più intensa, questo periodo viene utilizzato per categorizzare l’intero inverno e monitorare il segnale solare a lungo termine. Nella parte successiva dell’inverno (gennaio e febbraio), la propagazione delle onde planetarie induce uno stato dinamicamente controllato, dove si manifestano interazioni onda-flusso medio e effetti dinamici indiretti del ciclo solare e della QBO.

La Tabella 1 riassume i dettagli degli esperimenti effettuati utilizzando il Whole Atmosphere Community Climate Model (WACCM) per esaminare le interazioni tra il ciclo solare e la QBO (Oscillazione Quasi-Biennale). La tabella è strutturata in quattro colonne principali:

1. Nome dell’esperimento: Elenco degli esperimenti condotti:
   • SCQBO: Esperimento che considera sia le variazioni del vento zonale nella stratosfera equatoriale inferiore sia le fasi variabili del ciclo solare.
   • SC: Esperimento focalizzato esclusivamente sulle fasi variabili del ciclo solare, senza considerare le variazioni del vento zonale QBO.
   • QBO: Esperimento che studia solo le variazioni del vento zonale QBO, escludendo le variazioni del ciclo solare.
2. Vento Zonale nella Stratosfera Equatoriale Inferiore: Indica se le variazioni del vento zonale QBO sono state considerate:
   • Variabile: Presente in esperimenti che includono l’analisi delle variazioni del vento zonale.
   • – (mancante): Assente negli esperimenti che non includono questa variabile.
3. Fase del Ciclo Solare: Specifica se l’esperimento ha incluso le fasi del ciclo solare:
   • Variabile: Presente in esperimenti che analizzano l’impatto delle fasi variabili del ciclo solare.
   • – (mancante): Assente negli esperimenti che non esaminano questa variabile.
4. Anni di Simulazione: Mostra la durata delle simulazioni per ogni esperimento:
   • 110 anni: Per gli esperimenti SCQBO e SC, indicando un lungo periodo di simulazione per analizzare interazioni complesse e cicli completi.
   • 50 anni: Per l’esperimento QBO, focalizzato specificamente sulle variazioni del vento zonale.

Questa tabella offre una panoramica chiara e concisa degli esperimenti progettati per investigare come il ciclo solare e la QBO interagiscono nell’atmosfera, utilizzando il modello climatico avanzato WACCM.

La Figura 2 illustra i coefficienti di regressione solare annuali medi nella regione tropicale, specificatamente tra 25°S e 25°N, per due variabili atmosferiche: temperatura e ozono. Questi risultati sono presentati in due pannelli distinti:

• (a) Temperatura Tropicale: Questo pannello mostra i coefficienti di regressione per la temperatura, espressi in Kelvin per 130 unità di f10.7 (un indice del flusso radio solare). I diversi simboli rappresentano:
  • Triangoli: Dati dell’esperimento che considera solo il ciclo solare.
  • Cerchi: Dati dell’esperimento che considera solo la QBO.
  • Quadrati: Dati dell’esperimento che considera sia il ciclo solare che la QBO.
  Le incertezze per ciascun punto, rappresentate come due deviazioni standard, sono visivamente indicate.
• (b) Ozono Tropicale: Questo pannello mostra i coefficienti di regressione per l’ozono, espressi in percentuale per 130 unità di f10.7. Analogamente al pannello della temperatura:
  • Triangoli rappresentano i dati per solo il ciclo solare.
  • Cerchi per solo la QBO.
  • Quadrati per l’interazione tra ciclo solare e QBO.
  Le incertezze, rappresentate anch’esse come due deviazioni standard, sono indicate per ciascun set di dati.

L’asse verticale (y) in entrambi i pannelli mostra la quota atmosferica in hPa, che va dalla superficie terrestre fino alla stratosfera superiore. Questo consente di osservare come i coefficienti di regressione cambiano con l’altitudine, fornendo una panoramica dettagliata dell’impatto del ciclo solare e della QBO su temperatura e ozono attraverso diversi strati dell’atmosfera.

È importante notare che il coefficiente solare è stato moltiplicato per 1.3 per rappresentare le variazioni tra il massimo e il minimo solare, offrendo una stima più precisa dell’effetto del ciclo solare sugli estremi climatici.

4. Segnali Solari
In questa sezione, presentiamo un confronto della risposta media annuale tropicale al ciclo solare, basato sugli esperimenti che considerano il ciclo solare variabile nel tempo e/o l’oscillazione quasi biennale (QBO). Utilizziamo l’analisi MLR per esaminare e confrontare i risultati con altri studi di modellazione e osservazioni esistenti.

Il focus è posto sul ruolo del QBO, esplorando il segnale nella stratosfera e analizzando la sua evoluzione stagionale attraverso una successiva analisi composita. I risultati derivano da dati medi mensili, aggregati su tutti gli anni di modello disponibili, per assicurare una base solida per la significatività statistica.

4.1. Temperatura e Ozono Tropicale Medio Annuale [10] La Figura 2a illustra la più significativa risposta di temperatura al ciclo solare nella stratosfera superiore, raggiungendo 0,7 K a 45 km nei due esperimenti in cui è simulato un ciclo solare (SC e SCQBO). Questo picco si verifica indipendentemente dalla presenza del QBO. Nel solo esperimento QBO, il segnale solare inizia a differenziarsi dalle altre simulazioni al di sopra dei 25 km, mostrando una risposta quasi nulla sopra i 30 km e negativa sopra i 40 km.

Un secondo picco nel segnale solare si manifesta nella stratosfera inferiore, intorno ai 18 km, e risulta statisticamente identico nei tre esperimenti. L’emergere di un segnale solare equatoriale nella stratosfera inferiore nel solo esperimento QBO, privo di forzatura solare diretta, potrebbe essere attribuito a effetti di aliasing [ad es., Marsh e Garcia, 2007; Smith e Matthes, 2008], o al fatto che i venti equatoriali osservati utilizzati per modulare i venti del modello includano un segnale solare.

La modulazione del ciclo solare sulla fase del QBO, suggerita originariamente da Salby e Callaghan [2000], continua a essere un argomento di dibattito [ad es., Hamilton, 2002]. Come già discusso nella sezione 1, persiste un’ampia incertezza nella struttura verticale del segnale solare al di sotto dei 32 km, sia tra diversi CCM sia nei vari set di dati osservazionali [SPARC CCMVal, 2010].

Il problema potrebbe derivare dal numero limitato di anni disponibili per l’analisi statistica, che copre soltanto quattro o cinque cicli solari. In questo contesto, valutiamo il contributo del QBO alla struttura verticale nei segnali di temperatura e ozono. L’esperimento con forzatura variabile del ciclo solare e QBO (SCQBO) evidenzia una risposta di temperatura al ciclo solare leggermente superiore rispetto a quella dell’esperimento solo ciclo solare (SC), con picchi nella stratosfera superiore e inferiore separati da un minimo nella stratosfera media. Questa configurazione è confrontabile con le osservazioni [cfr. capitolo 8 in SPARC CCMVal, 2010] ed è statisticamente indistinguibile tra gli esperimenti SCQBO e SC.[11] Variazioni dell’Ozono Tropicale Medio Annuale
La Figura 2b illustra le variazioni dell’ozono tropicale medio annuale (O3), dal minimo al massimo solare nei tre esperimenti analizzati. Durante il massimo solare, si osserva un aumento statisticamente significativo dell’ozono del 2% nella stratosfera superiore (40 km) negli esperimenti SC e SCQBO. Questo incremento, sebbene leggermente inferiore rispetto al picco di oltre il 2% rilevato nei dati di SAGE I + II tra i 45 e i 50 km, si allinea bene con i risultati di precedenti studi di modellazione [es. Brasseur, 1983; Haigh, 1994; Fleming et al., 1995; Shindell et al., 1999; Schmidt e Brasseur, 2006; Marsh et al., 2007; SPARC CCMVal, 2010].

Un minimo locale statisticamente significativo è evidenziato nella stratosfera media intorno ai 30 km nell’esperimento SCQBO, rispetto a quello solo QBO. Si registra anche un secondo picco più marcato del 2% nella stratosfera inferiore tropicale in tutti e tre gli esperimenti, che tuttavia non risulta statisticamente significativo. È rilevante notare che, nonostante l’assenza di forzatura del ciclo solare nell’esperimento solo QBO, questo presenta un evidente segno decennale nell’ozono tropicale sotto i 38 km.

[12] Confronto con Altri Studi CCM e Osservazioni
Nel modello WACCM, la risposta di temperatura e ozono alla radiazione solare nella stratosfera superiore è generalmente coerente con altri studi CCM [es. Marsh et al., 2007; Tsutsui et al., 2009; Schmidt et al., 2010] e con le osservazioni, come esaminato da Gray et al. [2010]. La reazione nella stratosfera tropicale media e inferiore si distingue da altri studi CCM ma concorda bene con le osservazioni di ERA40, radiosonde e SAGE [SPARC CCMVal, 2010], nonché con una serie di esperimenti transitori WACCM recenti [Chiodo et al., 2012]. Quest’ultimo studio impiega una versione più aggiornata di WACCM (3.5), con una migliore climatologia e variabilità invernale nell’emisfero nord, evidenziando una struttura tripartita del segnale solare nei tropici, confermata dalle osservazioni. Altri studi CCM recenti con temperature superficiali del mare costanti, simili al nostro studio, o non includevano un QBO in WACCM [Marsh et al., 2007; Tsutsui et al., 2009] o presentavano un QBO autoconsistente con una fase non realistica, sincronizzata con il ciclo annuale [Schmidt et al., 2010].

[13] Riassunto della Struttura Verticale dei Segnali di Temperatura e Ozono Solari
Si nota una struttura verticale qualitativamente diversa nei segnali di temperatura e ozono solari in tutti gli esperimenti, sebbene queste siano statisticamente indistinguibili nella stratosfera inferiore. La risposta nella stratosfera superiore è indipendente dalla presenza del QBO, mentre quella nelle zone media e inferiore della stratosfera varia in base alla presenza del QBO e del ciclo solare.

Studi precedenti di Matthes et al. [2010] su un gruppo simile di simulazioni WACCM con forzature solari e QBO costanti, hanno evidenziato che la risposta solare nella stratosfera media e inferiore differisce significativamente tra le due fasi del QBO, in linea con le osservazioni di lunga data di Labitzke e van Loon [1988].

Il nostro studio attuale esplora il ruolo del QBO nell’evoluzione del segnale solare nei cicli variabili. Confrontiamo l’esperimento con le forzature più realistiche, che includono sia il ciclo solare sia il QBO (SCQBO), con gli altri due esperimenti che utilizzano esclusivamente il ciclo solare (SC) o solo il QBO (QBO). Questa analisi potrebbe fornire chiarimenti sulla relazione solare-QBO.

Un’altra questione irrisolta è se la struttura verticale del segnale solare tropicale sia influenzata dalle forzature che variano nel tempo e/o dalla presenza di un QBO [Matthes et al., 2010; Austin et al., 2008; Schmidt et al., 2010]. Per testare la robustezza del segnale solare, utilizzeremo l’esperimento solo QBO, che non comprende il ciclo solare nelle componenti di radiazione e chimica, per confrontarlo con gli altri due esperimenti.

La Figura 3 illustra le differenze tra il massimo e il minimo del ciclo solare, analizzando l’impatto senza considerare la stratificazione relativa al QBO, attraverso tre diversi esperimenti:

• (a) SCQBO (Ciclo Solare e QBO): Questa sezione presenta mappe per i mesi da dicembre a marzo, che mostrano le anomalie statisticamente significative al 95%. Le aree ombreggiate indicano dove le anomalie sono confermate da test statistici, suggerendo una variazione notevole associata alla combinazione di ciclo solare e QBO.
• (b) SC (Solo Ciclo Solare): Le mappe in questa parte visualizzano le anomalie nella concentrazione atmosferica (probabilmente ozono) solo dovute al ciclo solare, escludendo l’effetto del QBO. Confrontando queste mappe con quelle della parte (a), si possono osservare le differenze dovute alla presenza o assenza del QBO.
• (c) QBO (Solo QBO): In questo caso, l’esperimento si focalizza esclusivamente sulle variazioni causate dal QBO, senza l’influenza del ciclo solare. Gli stessi anni solari sono stati selezionati per questo esperimento per analizzare eventuali segnali solari spurii, offrendo un controllo sperimentale per valutare l’effetto isolato del QBO.

Ogni pannello mostra la differenza normalizzata (NAmx-smn) tra il massimo e il minimo osservato, analizzata per diversi mesi e visualizzata in funzione della latitudine.

Queste mappe sono cruciali per distinguere e comprendere gli effetti specifici del ciclo solare e del QBO sulle variazioni atmosferiche o climatiche, permettendo agli scienziati di isolare i contributi di ciascun fattore all’interno del sistema climatico globale.

La Figura 4 visualizza le differenze medie zonali del vento zonale tra il massimo e il minimo del ciclo solare, derivanti dall’esperimento SCQBO. Queste differenze sono rappresentate in due distinti contesti del QBO:

• (a) QBO Est (QBO east): Questa sezione della figura include mappe per i mesi da dicembre a marzo, mostrando le variazioni nei venti zonali quando il QBO è in fase est. Le mappe si estendono dalla superficie terrestre fino a 80 km di altezza, e coprono la zona dall’equatore al polo nord. Le anomalie qui visualizzate sono marcate con ombreggiature per indicare aree di significatività statistica al 95%, come nella Figura 3.
• (b) QBO Ovest (QBO west): In modo analogo, questa parte illustra le differenze nei venti zonali per la fase QBO ovest, per gli stessi mesi. Le dimensioni spaziali delle mappe rimangono identiche, estendendosi dalla superficie fino a 80 km, dall’equatore al polo nord.

In entrambe le parti, l’intervallo dei contorni è di 0,5 m/s. Queste mappe forniscono un’analisi dettagliata dell’interazione tra il ciclo solare e le fasi del QBO, evidenziando come queste forzature influenzino la dinamica dei venti zonali in diverse strati dell’atmosfera e in diverse latitudini.

Queste osservazioni sono cruciali per comprendere come il ciclo solare e il QBO interagiscano e modifichino la struttura atmosferica globale, offrendo spunti fondamentali per la meteorologia e la climatologia.

4.2. Evoluzione Stagionale del Segnale Solare: Inverno nell’Emisfero Nord
[14] L’analisi dell’evoluzione stagionale del segnale solare viene effettuata esaminando le tre configurazioni sperimentali, che hanno mostrato differenze statisticamente significative riguardo alle risposte della temperatura media annuale tropicale e dell’ozono nella stratosfera superiore. Le anomalie di massimo solare meno minimo solare della media zonale del vento, senza stratificazione per la fase del QBO durante l’inverno dell’emisfero nord, da novembre a marzo, sono illustrate nella Figura 3. Per controllare la possibilità di segnali solari spurii legati al metodo di stratificazione, sono stati scelti gli stessi anni per il massimo e il minimo solare, anche se l’esperimento solo QBO, privo di ciclo solare, è di durata considerevolmente inferiore e quindi statisticamente meno affidabile.

Nell’esperimento con ciclo solare e QBO (SCQBO), si osserva una modulazione solare debole ma statisticamente significativa del getto notturno polare. Questa inizia con un’anomalia del vento da ovest nella stratosfera superiore delle medie latitudini che si propaga verso il polo e verso il basso, persistendo fino a febbraio, quando un’anomalia del vento da est nella stratosfera superiore prende il sopravvento, come mostrato nella Figura 3a. Questo modello di comportamento rispecchia quanto osservato nei dati empirici.

Contrariamente, l’esperimento solo QBO presenta un’anomalia del vento da ovest comparabile a quella dell’SCQBO da dicembre a febbraio, che si propaga lentamente ma cambia improvvisamente segno a dicembre e marzo, come evidenziato nella Figura 3c. L’esperimento che considera solo il ciclo solare mostra le anomalie del vento zonale più deboli tra i tre esperimenti e non evidenzia alcuna propagazione verso il polo e verso il basso delle anomalie del vento zonale, come si può vedere nella Figura 3b.

5. Impatto del QBO sul Segnale Solare

[15] L’esperimento SCQBO mostra una stretta correlazione con i segnali solari osservati, motivo per cui, nella Figura 4, le differenze tra il massimo e il minimo solare sono distinte per le due fasi del QBO, allo scopo di esplorare la relazione solare-QBO. Durante gli anni di massimo solare e fase QBO est, si registra un’anomalia del vento da ovest statisticamente significativa in novembre nella stratosfera superiore delle medie latitudini che cresce e si propaga verso il polo e verso il basso (Figura 4a), analogamente ai risultati di osservazioni e altri modelli [es. Kodera e Kuroda, 2002; Matthes et al., 2004, 2006]. Questo segnale indotto dal sole è direttamente correlato a temperature significativamente più alte nella stratosfera superiore tropicale e subtropicale, dovute all’assorbimento intensificato di radiazione UV durante gli anni di massimo solare. Questo effetto è più evidente nella fase est del QBO ma risulta apprezzabile anche nella fase ovest (Figura 4b).

La stratosfera superiore subtropicale è particolarmente sensibile ai cambiamenti solari nella parte iniziale dell’inverno dominata dalla radiazione, tanto che il piccolo segnale solare iniziale viene amplificato durante il periodo tardivo dell’inverno e all’inizio della primavera attraverso interazioni tra onde e flusso medio [Kodera e Kuroda, 2002]. La risposta durante gli anni di QBO est si concentra nella stratosfera nei primi mesi invernali (novembre e dicembre), estendendosi fino alla troposfera nei mesi successivi (gennaio e febbraio). La modulazione del getto notturno polare implica la rifrazione delle onde planetarie, modificando le loro aree di dissipazione e influenzando così la circolazione di Brewer-Dobson (BD).

[16] Gli anni di QBO ovest (Figura 4b) presentano un segnale spesso di segno opposto rispetto a quello degli anni di QBO est, caratterizzato da un’anomalia solare indotta da est già visibile ad alte latitudini all’inizio dell’inverno (dicembre). Le anomalie del vento zonale medio zonale in febbraio sono coerenti con le osservazioni [es. Labitzke, 2003] e con altri esperimenti di modelli meccanicistici [Ito et al., 2009]. Tuttavia, si osserva che il segnale solare durante gli anni di QBO ovest mostra una modulazione del getto notturno polare durante l’inverno dell’emisfero nord simile al caso di QBO est, con anomalie positive del vento che si spostano rapidamente verso le latitudini polari. Questo comportamento si discosta da quello presentato nei cicli WACCM qui discussi e sarà approfondito più avanti.

La Figura 5 illustra l’evoluzione stagionale delle variazioni della temperatura nella stratosfera inferiore tra il massimo e il minimo solare, osservate nei mesi di dicembre e gennaio. Le variazioni sono analizzate per gli anni con fase QBO est (pannelli di sinistra) e QBO ovest (pannelli di destra), in tre differenti configurazioni sperimentali:

• (a, b) SC (Solo Ciclo Solare): Questi pannelli mostrano come la temperatura reagisce al ciclo solare nei diversi scenari QBO. L’impatto del solo ciclo solare sulla temperatura è evidenziato, permettendo un confronto diretto dell’effetto del QBO.
• (c, d) SCQBO (Ciclo Solare e QBO): In questi pannelli, si osservano le variazioni di temperatura quando sia il ciclo solare sia il QBO sono attivati simultaneamente. Questa configurazione è cruciale per comprendere l’interazione complessa tra queste due variabili climatiche.
• (e, f) QBO (Solo QBO): Questi pannelli analizzano le variazioni di temperatura attribuibili unicamente al QBO, escludendo l’influenza del ciclo solare. È essenziale per isolare l’effetto del QBO sulla temperatura stratosferica.

Ogni pannello presenta un contorno a intervalli di 0,25 K per delineare le variazioni di temperatura, e le aree ombreggiate indicano anomalie statisticamente significative, come già visto nella Figura 3. Le mappe mostrano le variazioni “deseasonalizzate”, ovvero sono stati rimossi gli effetti medi stagionali per isolare le variazioni direttamente attribuibili agli scenari sperimentali. Questa visualizzazione aiuta a comprendere come i cambiamenti solari e le fasi del QBO influenzino in modi distinti la temperatura della stratosfera inferiore, evidenziando differenze significative tra i vari esperimenti.

5.1. Stratosfera Inferiore: Confronto tra Tropici ed Extratropici

[17] La Figura 5 esplora l’andamento stagionale dei segnali solari nelle temperature zonali deseasonalizzate della stratosfera inferiore tropicale, con medie tra 29 e 100 hPa. Questa regione è notevole per le grandi discrepanze tra i modelli di circolazione chimica (CCM) e tra i modelli e le osservazioni dirette. Le anomalie sono distinte per gli anni di QBO est (colonne di sinistra) e QBO ovest (colonne di destra) e vengono confrontate nei tre diversi esperimenti. È importante notare che la fase del QBO e del ciclo solare sono definite basandosi sul loro stato in dicembre per garantire che i mesi successivi appartengano alla stessa categoria e consentire un’analisi coerente dell’evoluzione stagionale.

Gli stessi anni sono stati selezionati per le categorie solari e QBO in tutti i casi, benché l’esperimento solo ciclo solare non includa il QBO e l’esperimento solo QBO non contempli il ciclo solare. Nel caso del QBO est nell’esperimento SCQBO (Figura 5a), si registrano differenze di temperatura positive statisticamente significative tra 30°N e 30°S per quasi tutto l’anno. Si raggiunge un primo picco debole a febbraio, seguito da anomalie positive predominanti da maggio, che si intensificano a settembre e culminano in un massimo marcato in ottobre (+1 K). Al contrario, si osservano risposte negative significative di temperatura alle alte latitudini di entrambi gli emisferi, con i valori massimi in novembre e dicembre, ovvero all’inizio dell’inverno.

Un modello notevolmente diverso emerge per l’esperimento QBO ovest (Figura 4b), in cui predominano anomalie solari negative nei tropici e positive negli extratropici durante l’inverno dell’emisfero nord. Segnali solari di temperatura positivi statisticamente significativi superiori a 4 K si verificano durante la fase tardiva dell’inverno nell’emisfero nord a latitudini polari, indicando una stratosfera più disturbata e quindi un maggiore riscaldamento adiabatico durante gli inverni di massimo solare con QBO ovest. Questo comportamento è confermato dai risultati di van Loon e Labitzke [1988], i quali hanno dimostrato che le correlazioni tra il ciclo solare e la temperatura media del Polo Nord tra gennaio e febbraio dipendono dalla fase del QBO nella stratosfera inferiore. A causa della propagazione di fase del QBO, questa correlazione cambia segno al variare dell’altezza. I segnali corrispondenti nell’ozono mostrano schemi largamente coerenti con le differenze di temperatura, sebbene non siano illustrati nel dettaglio.

Le differenze di temperatura nell’esperimento SCQBO si mostrano notevolmente diverse dalle anomalie osservate negli esperimenti SC e QBO (Figure 5c–5f). Nell’esperimento dedicato esclusivamente al ciclo solare (Figure 5c e 5d) e in quello dedicato solo al QBO (Figure 5e e 5f), prevalgono anomalie positive di temperatura statisticamente significative nei tropici, mentre anomalie negative di temperatura, parzialmente statisticamente significative, predominano nelle alte latitudini dell’emisfero nord durante l’inverno, precisamente in gennaio e febbraio. Non si osserva un’inversione di segno analoga a quella rilevata nell’esperimento SCQBO in questi due esperimenti nel cuore dell’inverno. Si registra soltanto una differenza minore, parzialmente statisticamente significativa, all’inizio dell’inverno (novembre e dicembre) nell’esperimento SC, e ancora più precoce, simile per entrambe le fasi del QBO (ottobre, novembre) nell’esperimento solo QBO.

Il confronto tra i tre esperimenti evidenzia una corrispondenza con le risposte solare-QBO osservate solo nell’esperimento SCQBO, dove sono presenti entrambe le forzature. Di conseguenza, ci concentreremo sull’analisi di questo esperimento nei passaggi successivi. I diversi modelli stagionali dei segnali solari durante le due fasi del QBO nell’esperimento SCQBO indicano una risposta della circolazione media globale al ciclo solare, tale per cui si verifica un movimento relativo di sprofondamento e riscaldamento adiabatico alle basse latitudini e un movimento ascendente relativo associato a raffreddamento alle alte latitudini durante la fase est del QBO e viceversa durante le condizioni QBO ovest. È importante notare che i cambiamenti più significativi nella stratosfera inferiore si verificano durante l’inizio dell’inverno per i QBO est e verso la fine dell’inverno per i QBO ovest.Le variazioni nella componente verticale deseasonalizzata della velocità verticale media euleriana trasformata, misurata sulla stratosfera inferiore (da 100 a 29 hPa) come mostrato nella Figura S1 delle informazioni di supporto, confermano le osservazioni dedotte dalle anomalie di temperatura. Durante i picchi di attività solare, queste misurazioni indicano una circolazione di Brewer-Dobson più debole nelle condizioni di QBO est e più forte nelle condizioni di QBO ovest. Questi cambiamenti nella circolazione contribuiscono a fenomeni di raffreddamento o riscaldamento adiabatico, influenzando così le differenze di temperatura tra le basse e le alte latitudini. Queste differenze sono particolarmente accentuate durante l’inverno/primavera dell’emisfero nord, ma risultano più deboli durante la primavera dell’emisfero sud.

È interessante notare che la simulazione che varia nel tempo, che include sia le forzature del ciclo solare sia del QBO (SCQBO), riproduce fedelmente la relazione osservata nell’emisfero nord. Questo contrasta con i risultati dei test con forzature costanti riportati da Matthes et al. [2010], i quali evidenziavano questa risposta solamente nell’emisfero sud.

La Figura 6 illustra le sezioni meridionali verticali che variano tra 1000 e 10 hPa (da 0 a 32 km), mostrando le differenze di temperatura zonalmente mediate e detrendizzate (in gradi Kelvin) tra i massimi e i minimi solari nel mese di febbraio. Queste differenze sono rappresentate tramite linee di contorno.

• Pannelli superiori: Rappresentano gli anni in cui la fase del QBO è est.
• Pannelli inferiori: Mostrano gli anni con la fase del QBO ovest.

Le aree ombreggiate indicano le regioni dove la correlazione tra le temperature e il flusso solare a 10.7 cm supera il valore di 0.4, suggerendo un’interazione significativa tra l’attività solare e le temperature atmosferiche in quelle aree.

• (a) Risultati del modello WACCM: coprono il periodo dal 1958 al 2007.
• (b) Rianalisi NCEP/NCAR: per lo stesso intervallo di tempo, basate su un aggiornamento da Labitzke (2003).

Dettagli aggiuntivi:

• Un elemento importante da notare è che, diversamente dalle altre figure, il polo nord è posizionato sul lato sinistro di queste mappe.

Questa figura fornisce un confronto essenziale tra i dati provenienti da un modello climatico avanzato (WACCM) e dati di rianalisi (NCEP/NCAR), mostrando come ciascun set di dati rappresenti le variazioni di temperatura legate ai cicli solari sotto diverse configurazioni del QBO (est e ovest). Questo aiuta a comprendere meglio l’influenza dell’attività solare sul clima e la sua variabilità in relazione alle dinamiche del QBO.

5.2. Confronto con la Relazione Solare-QBO Osservata

[18] Per approfondire l’accordo con la relazione solare-QBO osservata nell’esperimento SCQBO, sono state applicate le stesse analisi di correlazione ai dati del modello WACCM e alle rianalisi NCEP/NCAR, per esempio quelle di Labitzke [2003] presentate nella Figura 6. È importante notare che in questa figura, l’emisfero nord (NH) e l’emisfero sud (SH) sono invertiti. Dato che WACCM utilizza i venti equatoriali osservati, per il confronto è stato selezionato il periodo dal 1958 al 2007.

La struttura di latitudine-altezza della risposta solare, correlata al flusso a 10.7 cm e alle differenze di temperatura tra il massimo e il minimo solare, è rappresentata efficacemente dal modello (Figura 6a). Qui si osservano anomalie massime di temperatura di -8 K con correlazioni negative con il flusso a 10.7 cm nella stratosfera polare inferiore dell’NH, e +2 K con correlazioni positive nei tropici durante gli anni di QBO est. Analogamente, gli effetti durante le condizioni di QBO ovest sono riprodotti con un picco di anomalie di temperatura di +6 K alle latitudini polari e -0.5 K alle latitudini tropicali. È particolarmente rilevante notare che il picco del segnale di temperatura in QBO ovest è circa la metà di quello osservato (Figura 6b), il che potrebbe essere attribuito alla minore frequenza di riscaldamenti stratosferici improvvisi (SSWs) nella versione di WACCM utilizzata in questo studio.Mentre la frequenza dei riscaldamenti stratosferici improvvisi (SSW) osservata è di 0,6 riscaldamenti all’anno, nel modello che include sia il ciclo solare sia il QBO la frequenza si riduce a 0,3. È interessante notare che il modello con solo la forzatura QBO presenta una frequenza simile di 0,26, mentre il modello con solo la forzatura solare mostra una frequenza significativamente inferiore di 0,18. Questi risultati sono in linea con quelli riportati da Richter et al. [2011], i quali hanno evidenziato come l’inclusione di temperature superficiali del mare (SST) variabili o di un QBO possa aumentare la frequenza degli SSW. La relazione solare/QBO rimane costante per l’intera durata di 110 anni della simulazione SCQBO, ma l’entità delle correlazioni e delle differenze di temperatura si riduce all’aumentare del numero di anni inclusi nell’analisi (dati non mostrati).

La Figura 7 conferma l’origine delle risposte opposte in termini di temperature medie zonali solari (Figura 6) e dei venti medi zonali indotti dal sole (Figura 4) per le due fasi del QBO durante il mese di febbraio nell’esperimento SCQBO. Le Figure 7a e 7b illustrano le anomalie nella divergenza del flusso EP tra il massimo e il minimo solare per le condizioni QBO ovest ed est, rispettivamente. La convergenza (anomalie negative della divergenza del flusso EP) durante il massimo solare e le condizioni QBO ovest, nella stratosfera superiore e mesosfera inferiore ad alta latitudine, comporta una decelerazione del vento zonale medio occidentale e quindi anomalie negative del vento zonale medio nella Figura 4b.Tuttavia, durante il massimo solare e le condizioni QBO est (Figura 7b), le anomalie positive della divergenza del flusso EP nella stratosfera superiore delle medie latitudini e nella troposfera superiore delle medie latitudini accelerano il flusso occidentale. Questo corrisponde alle anomalie positive del vento zonale medio mostrate nella Figura 4a. L’impatto di questi cambiamenti sulle interazioni tra onde e flusso medio è altresì evidente nelle anomalie della velocità verticale, influenzando quindi la circolazione di Brewer-Dobson (BD) (Figure 7c e 7d).

Le anomalie positive della velocità verticale sopra i 50 km e a nord del 50°N implicano un risalimento relativo (Figura 7c), risultando in anomalie negative di temperatura nella stratosfera superiore e nella mesosfera inferiore ad alta latitudine per il QBO ovest (non mostrate). Invece, le anomalie negative della velocità verticale indicano una subsidenza più marcata e quindi un riscaldamento relativo, come si può osservare, per esempio, nella stratosfera ad alta latitudine al di sotto dei 50 km per il QBO ovest (Figura 6a).

I cambiamenti più significativi nella circolazione BD si verificano in febbraio durante il massimo solare e le condizioni QBO ovest, caratterizzati da un indebolimento nella stratopausa superiore e nella mesosfera inferiore e un rafforzamento nella stratosfera inferiore (Figura 7c). Questi fattori contribuiscono al modello di temperatura osservato nella Figura 6a.

La Figura 7 illustra le differenze medie zonali composite di febbraio tra il massimo e il minimo solare per la divergenza del vettore flusso di Eliassen-Palm (EP-flux) e per la *componente verticale dell’equazione TEM (w)**, nelle condizioni di QBO ovest ed est. Queste mappe si estendono dalla superficie terrestre fino a 80 km di altezza, dall’equatore fino al polo nord, fornendo un dettaglio significativo su come il ciclo solare influenzi l’atmosfera a diverse latitudini e altitudini.

• (a) QBO ovest (EP-flux): Questo pannello mostra le differenze nella divergenza del flusso EP durante le condizioni di QBO ovest. L’intervallo di contorno è di 0.5 m/s/d. Le aree ombreggiate evidenziano le regioni dove le modifiche nella circolazione atmosferica sono maggiormente significative.
• (b) QBO est (EP-flux): Analogamente, questa mappa rappresenta le differenze per le condizioni di QBO est. L’ombreggiatura aiuta a identificare le zone con maggiori cambiamenti nel flusso EP, indicando importanti variazioni nei movimenti atmosferici.
• (c) QBO ovest (Componente verticale w)**: Illustra le differenze per la componente verticale w dell’equazione TEM nelle condizioni di QBO ovest, con un intervallo di contorno di 0.4 mm/s. Le regioni ombreggiate mostrano dove i cambiamenti nella velocità verticale sono più pronunciati, evidenziando l’impatto diretto sulla dinamica atmosferica.
• *(d) QBO est (Componente verticale w)**: Simile al pannello (c), ma per le condizioni di QBO est. Qui, l’ombreggiatura indica aree dove la componente verticale della velocità atmosferica subisce variazioni significative.

Ogni pannello offre una visione dettagliata delle modifiche indotte dal ciclo solare nella dinamica del flusso EP e nella componente verticale della velocità atmosferica sotto le diverse fasi del QBO. Queste mappe sono cruciali per comprendere l’impatto del ciclo solare sulla dinamica atmosferica superiore e sulla circolazione globale, influenzando significativamente il clima e i pattern meteorologici associati.

La Figura 8 illustra le differenze della media zonale dei venti zonali all’inizio dell’inverno (Dicembre), analizzando come queste variano in risposta ai cicli solari massimi e minimi sotto diverse condizioni del QBO. La figura è suddivisa in sei pannelli che confrontano le variazioni con le condizioni climatologiche medie:

• (a) Differenze tra il massimo solare e il minimo sotto condizioni QBO est: Questo pannello mostra le modifiche nei venti zonali tra il massimo e il minimo solare durante la fase est del QBO.
• (b) Differenze tra il massimo solare e il minimo sotto condizioni QBO ovest: Analogamente al pannello (a), ma esamina la fase ovest del QBO.

I seguenti pannelli descrivono le differenze rispetto alla media climatologica di dicembre:

• (c) Massimo solare QBO est – condizione media: Esplora le variazioni dei venti zonali al massimo solare rispetto alla media per la fase QBO est.
• (d) Massimo solare QBO ovest – condizione media: Mostra le variazioni dei venti zonali al massimo solare rispetto alla media per la fase QBO ovest.
• (e) Minimo solare QBO est – condizione media: Presenta le variazioni dei venti zonali al minimo solare rispetto alla media per la fase QBO est.
• (f) Minimo solare QBO ovest – condizione media: Simile al pannello (e), ma per la fase QBO ovest al minimo solare.

L’intervallo di contorno in tutti i pannelli è di 1 m/s. Le aree ombreggiate indicano dove le differenze sono statisticamente significative.

Questi pannelli forniscono una comprensione dettagliata dell’interazione tra il ciclo solare, le fasi del QBO, e i loro effetti combinati sulla dinamica dei venti zonali durante l’inizio dell’inverno, evidenziando come questi fenomeni globali influenzino la circolazione atmosferica a diverse latitudini.

La Figura 9 analizza l’impatto isolato del QBO sulla dinamica dei venti zonali, mostrando le differenze all’interno di un esperimento esclusivamente QBO, senza influenze del ciclo solare. Le mappe sono organizzate per esaminare in dettaglio come il QBO influenzi l’atmosfera nei suoi stati di massimo e minimo e in confronto con la media climatologica:

• (a) e (b) Differenze tra massimo e minimo QBO:
  • (a) Venti zonali durante il massimo QBO est,
  • (b) Venti zonali durante il massimo QBO ovest.
• (c) a (f) Variazioni rispetto alla condizione media climatologica:
  • (c) Venti zonali al massimo QBO est rispetto alla media,
  • (d) Venti zonali al massimo QBO ovest rispetto alla media,
  • (e) Venti zonali al minimo QBO est rispetto alla media,
  • (f) Venti zonali al minimo QBO ovest rispetto alla media.

Ogni pannello presenta un intervallo di contorno di 1 m/s e le aree ombreggiate, come nella Figura 3, indicano regioni dove le differenze sono statisticamente significative. Questa disposizione consente di visualizzare chiaramente come le variazioni del QBO modulino i venti zonali nelle diverse stagioni, mettendo in luce gli effetti distinti delle fasi est e ovest del QBO rispetto alle condizioni climatiche generali. Questa analisi dettagliata aiuta a comprendere l’influenza specifica del QBO sulla circolazione atmosferica globale.

6. Meccanismo Proposto per la Modulazione Solare-QBO

[20] Al fine di comprendere la notevole corrispondenza tra i risultati della simulazione SCQBO WACCM e le osservazioni, specialmente durante l’inverno dell’emisfero nord, viene condotta un’analisi della climatologia di base del modello e della sua modulazione QBO. Inoltre, si propone uno schema meccanistico per interpretare la modulazione solare-QBO.

6.1. Impatto della QBO sulla Climatologia del Modello

[21] Questa sezione esplora come la risposta solare sia influenzata dalla climatologia di base del modello e se questo possa giustificare le differenze osservate nelle reazioni solari tra le due fasi della QBO. Se la climatologia del modello e, di conseguenza, la rappresentazione delle interazioni onda-flusso medio non corrispondono alle osservazioni, il trasferimento del segnale solare, seppur minimo, potrebbe non avvenire come evidenziato da Kodera et al. [2003] e Matthes et al. [2003].

La Figura 8 si propone di analizzare le varie risposte solari nelle condizioni QBO est e ovest, in relazione alla climatologia zonale media del vento di fondo. Ciò include la propagazione e la dissipazione delle onde durante l’inizio dell’inverno, specificamente a dicembre, periodo in cui avviene la transizione da uno stato dominato da processi radiativi a uno dominato da dinamiche nella stratosfera.

La figura 8 evidenzia le differenze tra la climatologia media zonale del vento di fondo e le quattro configurazioni di condizioni solari-QBO: massimo solare/QBO est, minimo solare/QBO est, massimo solare/QBO ovest, e minimo solare/QBO ovest. Le figure da 8c a 8f confermano l’esistenza del meccanismo di Holton e Tan [1980, 1982] nel modello WACCM, mostrando una stratosfera polare più disturbata e calda durante la QBO est e più fredda e tranquilla durante le condizioni QBO ovest. Questo rapporto è più marcato durante il minimo solare rispetto al massimo solare, confermando così i ritrovamenti di Labitzke e van Loon [1988], Kodera et al. [1991], Gray et al. [2004] e Camp e Tung [2007].

Le Figure 8a e 8b illustrano le differenze tra il massimo e il minimo solare per le due fasi della QBO a dicembre, come precedentemente mostrato nella Figura 4. È importante notare la struttura tripartita delle differenze dei venti medi zonali nella stratosfera tropicale, caratterizzata da venti est-ovest-est nelle condizioni QBO est e il contrario per il QBO ovest (vedi anche Figura 10a). Risalta particolarmente l’ampiezza delle anomalie dei venti zonali nella stratosfera media e alta tropicale, che si estendono fino alle latitudini subtropicali (30°N), influenzando così la propagazione delle onde planetarie — impedendo ciò durante le condizioni QBO est o facilitandolo durante le condizioni QBO ovest. Queste anomalie portano ai cambiamenti dei venti medi zonali descritti alle alte latitudini (Figure 8c–8f). Questi risultati sono conformi agli studi precedenti sulla relazione solare-QBO di Kodera et al., 1991 e Gray et al., 2004. La Figura 9 ripete l’analisi della Figura 8 ma per l’esperimento solo QBO, al fine di verificare la presenza di possibili risultati spurii dovuti alla scelta del campionamento. Le Figure 9c–9f confermano chiaramente il comportamento secondo Holton e Tan; tuttavia, questo si presenta molto simile nei compositi selezionati per il massimo e il minimo solare, risultando in differenze solari minimali e statisticamente non significative a nord dei 60°N.

Durante i massimi solari, si osserva un’anomalia del vento occidentale più forte e statisticamente significativa intorno ai 40°N e 60 km nella fase QBO est, rispetto agli anni QBO ovest nell’esperimento SCQBO (Figure 8a e 8b). Questa anomalia del vento occidentale non è presente nella corsa solo QBO (Figure 9a e 9b). Pertanto, suggeriamo che l’interazione solare-QBO, presente nel SCQBO ma assente nell’esperimento solo QBO, modifichi questa caratteristica del ciclo solare di inizio inverno e faciliti il trasferimento del segnale solare-QBO durante l’inverno.

I risultati sono riassunti e viene proposto un possibile meccanismo per la modulazione solare-QBO nella Figura 10. Il segnale solare nella stratosfera è caratterizzato da un riscaldamento tropicale di inizio inverno e da un riscaldamento polare di fine inverno, dovuto all’interazione con le onde planetarie. La QBO modula il segnale solare influenzando la propagazione delle onde planetarie nella stratosfera superiore subtropicale e nella mesosfera inferiore all’inizio dell’inverno, attraverso la sovrapposizione di venti occidentali anomali associati al ciclo solare e alla QBO (Figure 10a e 10b).

L’inizio più intenso del segnale di temperatura solare e l’anomalia del vento occidentale (Figura 8a) nella stratosfera superiore subtropicale/mesosfera inferiore durante la QBO est a dicembre è ulteriormente rafforzato durante questa fase della QBO (Figura 10c). Questo contribuisce ad avviare retroazioni dinamiche con le alte latitudini e la propagazione verso il polo e verso il basso dell’anomalia del vento occidentale durante l’inverno (Figura 4a). Durante le condizioni QBO ovest, il segnale solare iniziale è già più debole rispetto alle condizioni QBO est (Figura 4b), e questa fase della QBO tende a indebolire ulteriormente o smorzare il segnale solare durante l’inverno NH nei nostri esperimenti. Seguendo gli studi di Kodera et al. [1991] e Gray et al. [2004], proponiamo che il piccolo segnale solare iniziale sia potenziato durante la QBO est e diminuito durante le condizioni QBO ovest all’inizio dell’inverno (Figure 10c e 10d). Questa modulazione dell’attività delle onde planetarie influisce ulteriormente sul trasferimento del segnale solare-QBO durante l’inverno NH, risultando infine nelle differenze osservate nella stratosfera polare durante la fine dell’inverno, ovvero a febbraio.Come precedentemente menzionato, il trasferimento del segnale solare nelle osservazioni è caratterizzato dalla propagazione verso il polo e verso il basso delle anomalie del vento occidentale, che avviene più rapidamente durante le condizioni QBO ovest [ad esempio, Matthes et al., 2004]. Nei nostri esperimenti con il modello, la situazione è leggermente diversa, poiché durante la fase QBO ovest si osserva un’anomalia orientale che si propaga anch’essa verso il polo e verso il basso.

Per un trasferimento del segnale solare-QBO più realistico, ossia in linea con le osservazioni, è necessaria una rappresentazione più accurata delle interazioni onda-flusso medio e dell’attività delle onde nel modello. Questo potrebbe essere realizzato in esperimenti con una climatologia di fondo migliorata. Una QBO autoconsistente potrebbe inoltre essere essenziale per garantire un’interazione onda-flusso medio più realistica tra i tropici e le alte latitudini.

La Figura 10 presenta uno schema delle anomalie di vento zonale medio (rappresentate con linee) e delle anomalie di temperatura (anomalie negative in blu; anomalie positive in arancione) per vari scenari atmosferici:

(a) Durante gli anni di QBO est: Le linee indicano la presenza di venti orientali (E) e occidentali (W) che variano lungo la traiettoria dall’equatore (EQ) al polo (Pol). Le zone colorate rappresentano le anomalie di temperatura, con il blu e l’arancione che denotano rispettivamente le anomalie negative e positive.

(b) Durante gli anni di massimo solare: È evidenziata una predominanza dell’anomalia di vento occidentale (W), che si estende in un ampio arco dall’equatore verso il polo, mostrando l’ampia influenza del massimo solare.

(c) Influenza combinata di solare-QBO per gli anni di QBO est durante il massimo solare: Questo pannello mostra l’effetto combinato di massimo solare e QBO est sulle anomalie di vento e temperatura. Le frecce verdi rappresentano le onde planetarie, che si propagano dall’equatore al polo, essenziali per il trasporto di energia e per la modulazione delle condizioni meteorologiche.

(d) Influenza combinata di solare-QBO per gli anni di QBO ovest durante il massimo solare: Analogamente al pannello (c), ma con la caratteristica aggiunta di venti orientali (E) che si combinano con i venti occidentali (W) nell’interazione delle anomalie.

In entrambi i pannelli (c) e (d), le frecce verdi sottolineano il ruolo cruciale delle onde planetarie nella modulazione del clima, mostrando come le diverse fasi della QBO (est e ovest) possano influenzare in modo significativo la dinamica atmosferica durante periodi di massimo solare, riflettendo l’interazione complessa tra l’attività solare, la QBO, e le onde planetarie nell’atmosfera.

7. Conclusioni

[22] La relazione solare-QBO osservata è stata esaminata attraverso tre esperimenti multidecennali con il modello WACCM3.1, analizzando la media annuale e la risposta dinamica nella stratosfera durante l’inverno dell’emisfero nord (NH). Questi esperimenti hanno utilizzato diverse combinazioni del ciclo solare e della QBO, mantenendo costanti le condizioni relative ai gas serra (GHG), le sostanze che riducono l’ozono (ODS) e gli aerosol solforici. Un meccanismo per l’interazione solare-QBO è stato proposto basandosi sul confronto tra le risposte osservate e quelle modellate. I risultati principali sono riassunti come segue:

[23] 1. La risposta solare nella temperatura tropicale media annuale e nell’ozono nella stratosfera superiore è indipendente dalla presenza della QBO. Nella stratosfera media a inferiore, la risposta varia a seconda della presenza della QBO e del ciclo solare, ma è statisticamente indistinguibile nei tre esperimenti.

[24] 2. L’evoluzione stagionale del segnale solare durante l’inverno NH evidenzia un movimento polare e discendente delle anomalie dei venti occidentali, in linea con le osservazioni per l’esperimento SCQBO. Questo esperimento ha utilizzato le simulazioni più realistiche, con ciclo solare e QBO variabili nel tempo. I risultati suggeriscono che entrambi i forzanti, solare e QBO, sono necessari per produrre una risposta solare conforme alle osservazioni.

[25] 3. Separando il segnale solare in base alla fase della QBO, è emerso un ampio accordo con il segnale solare-QBO osservato solo nell’esperimento SCQBO. L’incidenza di condizioni più instabili e conseguentemente di maggiori riscaldamenti stratosferici a febbraio, durante il massimo solare e le condizioni QBO ovest, si avvicina ai risultati simili ottenuti dalla rielaborazione NCEP/NCAR, anche se con un’ampiezza ridotta. Un notevole miglioramento rispetto agli esperimenti con forzante costante di Matthes et al. [2010], che evidenziavano risposte significative solo nell’emisfero sud (SH), è stato osservato. Va sottolineato che un tale accordo con le osservazioni è stato riscontrato solamente nei run che utilizzavano variazioni temporali delle forzanti legate sia alla QBO che al ciclo solare, benché gli esperimenti siano di tipo idealizzato e non includano incrementi antropogenici di GHG e OD.

[26] 4. La QBO modula la climatologia dei venti zonali medi, influenzando così la frequenza dei riscaldamenti stratosferici, come osservato anche da Richter et al. [2011], e altera il segnale solare. In base al vento di fondo durante la specifica fase della QBO, viene proposto un meccanismo per l’interazione solare-QBO, in cui il piccolo segnale solare iniziale nella stratosfera superiore subtropicale/mesosfera inferiore all’inizio dell’inverno è potenziato durante la QBO est e ridotto durante le condizioni QBO ovest. Questo impatta significativamente il trasferimento del segnale solare-QBO nel corso dell’inverno e conduce alle differenze osservate nel segnale verso la fine dell’inverno. Il meccanismo proposto si basa sui lavori precedenti di Kodera [1991], Kodera et al. [1991], e Gray et al. [2004].[27] Nel complesso, abbiamo osservato un accordo soddisfacente tra il modello e le osservazioni, in particolare durante l’inverno dell’emisfero nord (NH), e abbiamo proposto un meccanismo per la modulazione solare-QBO. Tuttavia, persistono diverse caveat. In primo luogo, non è stato possibile realizzare più di un membro per ciascun insieme di dati, pertanto, la risposta potrebbe variare notevolmente in un’altra realizzazione di questi esperimenti. In secondo luogo, una versione più recente del WACCM, la versione 3.5, usata per il rapporto SPARC CCMVal [2010], ha mostrato una frequenza migliorata dei riscaldamenti stratosferici improvvisi (SSW) grazie all’inclusione dello stress turbolento montano [Richter et al., 2010; de la Torre et al., 2012]. Questo miglioramento nella frequenza degli SSW ha anche facilitato un trasferimento più efficace del segnale solare in direzione polare-discendente, nonché una risposta solare-QBO più realistica [Chiodo et al., 2012]. Terzo, avendo prescritto la QBO, abbiamo limitato l’interazione tra l’onda media e il flusso tra i tropici e le latitudini superiori. Per rappresentare in modo realistico tutti i processi coinvolti nel trasferimento del segnale solare-QBO, sarebbero necessari esperimenti con una QBO generata internamente. Un ultimo punto da considerare è che abbiamo dimostrato solo effetti top-down, poiché le temperature superficiali del mare (SST) sono mantenute costanti ai valori medi climatologici mensili, e non abbiamo considerato alcun feedback atmosfera-oceano o un potenziamento del segnale solare come discusso da Meehl et al. [2009]. Nonostante queste limitazioni, i risultati presentati rappresentano un passo importante verso una comprensione più completa della relazione solare-QBO. Il meccanismo proposto per tale relazione deve essere testato in altri esperimenti di modello più estesi.

https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/jgrd.50424