6.1. Oscillazione Quasi-Biennale Mesosferica (Mesospheric QBO)
Le misurazioni rawinsonde dei venti equatoriali (fino a circa 30 km, a partire dagli anni ’50) e le osservazioni dei venti delle rocketsonde da stazioni vicino a 8°S e 8°N (fino a circa 60 km, a partire dagli anni ’60) forniscono dati solo fino alla mesosfera inferiore, come mostrato nella Piastra 1. Le misurazioni satellitari dell’Imager Doppler ad Alta Risoluzione (HRDI) sul Satellite per la Ricerca dell’Atmosfera Superiore (UARS), iniziate nel novembre 1991, forniscono dati sui venti equatoriali da 10-40 e 50-115 km. I dati HRDI hanno rivelato una QBO nella mesosfera superiore [Burrage et al., 1996] chiamata MQBO. I venti equatoriali medi mensili HRDI sono mostrati nella Piastra 6 (pannello superiore), confermando la QBO fino a 40 km e la SAO mesosferica da circa 55-85 km. Dopo aver rimosso le armoniche annuali e semi-annuali, una MQBO centrata vicino a 85 km diventa evidente, come mostrato nel pannello inferiore della Piastra 6. Le variazioni del vento sono state confermate da osservazioni radar sull’Isola di Christmas (2°N) durante il periodo HRDI. I dati HRDI mostrano che la MQBO si estende fino a una latitudine di 63°, con una differenza di fase di 180° rispetto alla QBO stratosferica a 40 hPa.
Il record HRDI è troppo breve per confermare con affidabilità che la MQBO sia collegata alla QBO stratosferica. Garcia et al. [1997] suggerirono che la fase di est dei venti nella SAO mesosferica è solitamente più intensa solo quando sono presenti forti venti da ovest nella QBO stratosferica. Questa relazione è stata mantenuta durante il 1992-1995 sia nei dati satellitari che nei dati radar, ma si riscontrano eccezioni quando vengono esaminati i dati radar del 1990-1991. I venti da ovest mesosferici non mostrano una variabilità interannuale marcata e non sono correlati con la QBO.
La possibilità di un collegamento con la QBO è rafforzata da evidenze teoriche e di modellazione. Mayr et al. [1997] utilizzarono un modello 2-D per simulare le oscillazioni nella stratosfera e mesosfera equatoriali risultanti da onde di gravità in propagazione verticale. La QBO simulata non era confinata alla stratosfera, ma mostrava una QBO nella mesosfera superiore, simile a quella osservata nei dati HRDI e nei dati radar dell’Isola di Christmas. La spiegazione teorica coinvolge l’assorbimento selettivo a livello critico o il filtraggio delle onde da onde di gravità su piccola scala mentre attraversano i venti sottostanti nella stratosfera, insieme alla rottura delle onde complementari a livelli più alti nella mesosfera superiore. Questo processo genera anche la SAO nella mesosfera superiore.
Le ampiezze delle varie oscillazioni equatoriali nel vento zonale, in funzione dell’altezza, sono riassunte nella Figura 30. Il ciclo annuale (curva tratteggiata) è relativamente piccolo nella stratosfera (circa 5 m/s). La QBO stratosferica è mostrata da 16 a 40 km, con un picco vicino a 20 m/s a circa 25 km. L’ampiezza nella troposfera è trascurabile. L’ampiezza della QBO tra 40 e 70 km non è mostrata a causa dell’incertezza nel definire quale parte della variabilità sia collegata alla QBO (vedi Piastra 1).
6.2. Effetto della QBO sulla Troposfera Extra-Tropicale
Nella sezione 4 è stato mostrato che la QBO, modulando la guida d’onda per le onde planetarie in propagazione verticale, influisce sulla circolazione della stratosfera invernale extra-tropicale. Questa modulazione è più facilmente osservabile nell’NH (emisfero boreale), dove le ampiezze delle onde sono maggiori e la circolazione stratosferica è interrotta da riscaldamenti maggiori. La Figura 14 mostrava che la modulazione del vento zonale da parte della QBO nell’NH a gennaio si estende al di sotto della tropopausa. Angell e Korshover [1975] hanno mostrato una forte correlazione tra il vento zonale a 50 hPa di Balboa e lo spostamento del vortice settentrionale a 300 hPa, vicino alla tropopausa. La firma in superficie della QBO fu esaminata per la prima volta da Holton e Tan [1980], che mostrarono la differenza tra il geopotenziale a 1000 hPa per le due fasi della QBO. Un aggiornamento del calcolo di Holton e Tan, per i dati del 1964-1996, è mostrato nella Figura 31. Il modello è caratterizzato dalla modulazione della forza del vortice polare e da anomalie di segno opposto a latitudini basse e medie. Il modello nella Figura 31 è simile a quello mostrato da Holton e Tan. Hamilton [1998b], in una simulazione GCM di 48 anni con una QBO imposta, ha riscontrato che la differenza composita della QBO nella forza del vortice polare della troposfera superiore, seppur piccola, era statisticamente significativa.
Ci sono prove crescenti, derivanti da osservazioni, modelli numerici e modelli concettuali, che le anomalie stratosferiche influenzino effettivamente la troposfera. (Non è necessario limitare la nostra discussione all’influenza della QBO, ma pensare a qualsiasi anomalia di circolazione nella stratosfera: ad esempio, dovuta all’influenza solare, alla QBO, a un’eruzione vulcanica, ecc.) Boville [1984] ha mostrato, utilizzando un GCM, che un cambiamento nella struttura del vento zonale ad alta latitudine nella stratosfera introduceva cambiamenti nel flusso medio zonale fino alla superficie terrestre, così come nelle strutture delle onde planetarie. Ha concluso che il grado di intrappolamento delle onde planetarie nella troposfera è determinato dalla forza e dalla struttura del vento medio zonale stratosferico, risultando in una sensibilità della troposfera alla struttura del vento zonale stratosferico. Boville [1986] spiegò ulteriormente che quando i venti ad alta latitudine nella stratosfera inferiore sono forti, tendono ad inibire la propagazione verticale dell’attività ondosa nella stratosfera polare. Se i venti sono deboli, d’altra parte, l’attività ondosa può propagarsi più efficacemente nella stratosfera polare. Il processo è stato ritenuto strettamente accoppiato alla generazione troposferica di onde planetarie in propagazione verticale. Kodera et al. [1990] hanno utilizzato sia osservazioni che un GCM per mostrare che le anomalie nella stratosfera superiore di media latitudine (1 hPa) a dicembre tendono a muoversi verso il polo e verso il basso, raggiungendo la troposfera circa 2 mesi dopo. In generale, questi effetti possono essere compresi in termini di modifica del vento zonale medio, che funge da guida d’onda per la propagazione delle onde planetarie. Le anomalie stratosferiche tendono a indurre cambiamenti nella propagazione delle onde a livelli inferiori, che influenzano la convergenza delle onde, che a loro volta modifica ulteriormente il flusso zonale medio. Nel tempo, l’effetto netto appare come un movimento verso il basso e verso il polo delle anomalie.
Un approccio complementare per comprendere il collegamento verso il basso con la troposfera è stato quello di esaminare i “modi di variabilità”. Tali modi possono essere pensati come modelli che tendono a ricorrere e che rappresentano una grande frazione della varianza; i modelli dovrebbero essere robusti e riscontrati attraverso diversi schemi di analisi. Ad esempio, il vento zonale invernale dell’emisfero boreale tende a variare in un modello a dipolo (Figura 14). Questo modo accoppiato di variabilità tra la stratosfera e la troposfera invernale settentrionale è stato discusso da Nigam [1990], che ha esaminato gli EOF ruotati del vento zonale medio zonale. Il risultato di Nigam ha mostrato che il modo dominante di variabilità nel vento zonale medio appare come un profondo dipolo nord-sud con un nodo vicino a 40°-45°N (simile alla Figura 14). La parte polare del dipolo rappresenta fluttuazioni nella forza del vortice polare.
L’accoppiamento tra la stratosfera e la troposfera è stato ulteriormente esplorato da Baldwin et al. [1994], che hanno esaminato i modelli geopotenziali nella troposfera media collegati alla stratosfera. Utilizzando la decomposizione a valore singolare (anche chiamata analisi di covarianza massima) tra il geopotenziale a 500 hPa e il vento zonale medio, hanno mostrato che il modo principale aveva una forte firma a dipolo nel vento zonale medio, che si estendeva dalla superficie a oltre 10 hPa. Il modo a dipolo nord-sud rappresenta una grande frazione della varianza nel vento zonale ed è riscontrato attraverso una varietà di tecniche.
Il modo principale di variabilità della troposfera/stratosfera extra-tropicale settentrionale è caratterizzato da una struttura profonda, zonalmente simmetrica o “anulare” [Thompson e Wallace, 2000]. Questo modo a dipolo nel vento zonale medio è accoppiato a una struttura ondulatoria orizzontale di anomalie geopotenziali nella troposfera. Il modello di superficie assomiglia all’Oscillazione dell’Atlantico Settentrionale, ma è più simmetrico in longitudine. Thompson e Wallace [1998] hanno mostrato che il modello di superficie corrisponde al principale EOF della pressione media mensile del livello del mare in inverno. Il modo, a qualsiasi livello, è conosciuto come Northern Annular Mode (NAM). Il modello NAM di superficie è anche conosciuto come Oscillazione Artica [Thompson e Wallace, 1998] ed è ampiamente simile alla firma della QBO mostrata nella Figura 31, suggerendo che la QBO possa agire per modulare il NAM. Ora è chiaro che tutti gli studi sui modi di variabilità dell’NH producono modelli che sono, in sostanza, leggere varianti del NAM. Il NAM rappresenta un modo dominante, robusto e naturalmente ricorrente di variabilità, e se la QBO può influenzare il NAM nella stratosfera, ci si può aspettare che ci sia anche una firma di superficie della QBO.
Il NAM è strettamente legato ai riscaldamenti stratosferici improvvisi [Baldwin e Dunkerton, 1999], e ogni riscaldamento importante mostra una chiara firma nell’ampiezza del NAM stratosferico. Questa relazione può essere attesa perché entrambi i fenomeni, nella stratosfera, si riferiscono alla forza del vortice polare. Man mano che cambia la forza del vortice polare stratosferico, la firma NAM di superficie tende a variare. Baldwin e Dunkerton hanno esaminato questa relazione e dimostrato che grandi variazioni sostenute nella forza del vortice polare stratosferico tendono a propagarsi verso il basso fino alla superficie terrestre. Il tempo per propagarsi da 10 hPa alla superficie è risultato variabile, con una media di circa 3 settimane. Hanno anche esaminato la relazione tra la QBO e il NAM, che è risultata essere più forte a dicembre nella stratosfera media e più debole con l’avanzare dell’inverno. La QBO è uno dei diversi fattori che influenzano il NAM, modulando la forza del vortice polare dalla mesosfera inferiore alla superficie terrestre.
6.3. Effetti della QBO sulla Troposfera Tropicale
Poiché la QBO ha la sua ampiezza massima sopra l’equatore, è naturale chiedersi se questa oscillazione abbia un effetto sulla sottostante troposfera tropicale. Qui è importante tenere a mente due cose. Primo, le anomalie del vento zonale e della temperatura della QBO non penetrano significativamente al di sotto della tropopausa. La QBO della temperatura alla tropopausa è piccola rispetto al ciclo annuale. Secondo, si sa che la troposfera tropicale ha una propria oscillazione quasi-biennale, non correlata con la QBO stratosferica [Yasunari, 1985; Gutzler e Harrison, 1987; Kawamura, 1988; Lau e Sheu, 1988; Moron et al., 1995; Shen e Lau, 1995]. A differenza della QBO stratosferica, la “QBO troposferica” è irregolare nel tempo, asimmetrica in longitudine e si propaga lentamente verso est, con la massima ampiezza vicino all’Indonesia.
Sebbene Yasunari [1989] abbia suggerito che l’oscillazione troposferica sia coerente con la QBO stratosferica, i suoi risultati e quelli di altri autori tendono a smentire tale affermazione. Ad esempio, il grafico di Hovmoller dei venti troposferici superiori filtrati biennalmente mostra una variazione irregolare in longitudine e tempo, con due oscillazioni apparentemente distinte nei settori del Pacifico e dell’Atlantico, nessuna delle quali correla bene con la QBO stratosferica. L’oscillazione è un po’ troppo veloce sull’Atlantico, e un po’ troppo lenta sul Pacifico. Sulla base di un record più lungo, alcuni autori considerano la QBO stratosferica e troposferica come completamente non correlate [Barnett, 1991; Xu, 1992]. Per quanto riguarda le correlazioni lineari, la QBO troposferica e stratosferica non mostrano una relazione di fase coerente nel corso di diversi decenni. Le loro morfologie sono così diverse che è difficile vedere una connessione evidente.
D’altra parte, potrebbe esistere una relazione più sottile (sia non lineare che multivariata) tra questi fenomeni. Ci sono prove che gli eventi caldi dell’ENSO aumentino il tasso di discesa verso ovest della QBO [Maruyama e Tsuneoka, 1988]. Questo effetto è dinamicamente plausibile [Dunkerton, 1990; Geller et al., 1997] ma non risulterebbe in alcuna correlazione lineare. Forse in modo simile, la QBO stratosferica influisce sulla sottostante troposfera, con il suo effetto che si mescola con quello di altri fenomeni o che si verifica solo in certi momenti e luoghi.
La connessione più promettente tra la QBO stratosferica e la troposfera tropicale si trova nella variazione interannuale dell’attività degli uragani atlantici [Gray, 1984a, 1984b; Shapiro, 1989; Hess e Elsner, 1994; Landsea et al., 1998; Elsner et al., 1999]. Gli uragani forti che si originano nell’Atlantico tropicale si verificano significativamente più spesso nelle stagioni in cui la QBO sovrastante è in direzione ovest o sta diventando ovest vicino a 50 hPa. Il contrario è vero nella fase opposta della QBO. La QBO stratosferica rimane uno dei diversi predittori dell’attività degli uragani atlantici nelle previsioni stagionali emesse da W. Gray e collaboratori presso la Colorado State University (http://typhoon.atmos.colostate.edu/forecasts/).
Non è chiaro se la QBO abbia un’influenza simile sui tifoni nel Pacifico occidentale [Chan, 1995; Baik e Paek, 1998; Lander e Guard, 1998]. La dinamica della formazione degli uragani è un po’ diversa nelle due regioni. Non è stata data una spiegazione convincente dell’effetto della QBO sull’attività degli uragani. Diversi autori hanno notato l’effetto dello shear verticale del vento nella bassa stratosfera sulla convezione penetrante associata a forti tempeste [Gray et al., 1992a, 1992b], l’effetto sulla stabilità statica della bassa stratosfera [Knaff, 1993], e l’effetto dei venti della QBO sulla posizione dei livelli critici per le onde tropicali di est [Shapiro, 1989]. Le prove a sostegno di un ruolo della QBO nell’attività degli uragani derivano da regressioni multiple in cui i predittori sono scelti soggettivamente dall’esperienza. La possibilità che altre forme di variabilità quasi-biennale possano spiegare altrettanto bene la connessione degli uragani atlantici non è stata esplorata [Shapiro, 1989].
Altri apparenti effetti della QBO nella troposfera includono la notevole scoperta di Chao [1989] che la durata del giorno sulla Terra ha una variazione interannuale coerente con la quantità di moto angolare della QBO stratosferica. Questo risultato è coerente con il fatto che la quantità di moto angolare atmosferica è intimamente collegata al tasso di rotazione della Terra. Tuttavia, il collegamento tra la stratosfera e la Terra solida non è chiaro. Su una nota simile, Del Rio e Cazenave [1994] discutono un possibile effetto sul moto polare. Fontaine et al. [1995] hanno scoperto che regimi di precipitazioni contrastanti nell’Africa occidentale sono associati alla QBO stratosferica. Collimore et al. [1998] hanno mostrato una correlazione, seppur imperfetta, tra la QBO e l’attività convettiva profonda in regioni di forte convezione. Nel campo di segnali molto più piccoli, Hamilton [1983] ha trovato una variabilità quasi-biennale nell’ampiezza dell’oscillazione semidiurna della pressione superficiale. Queste e altre evidenze pubblicate e non pubblicate dell’effetto della QBO sulla troposfera tropicale motivano ulteriori studi e dimostrano che la QBO stratosferica dovrebbe essere adeguatamente simulata nei modelli dell’atmosfera tropicale.
- CONCLUSIONI
- In un articolo che riassumeva i lavori sulla QBO, allora di recente scoperta, Reed [1967, p. 393] affermava: “Magari presto sarà trovata una spiegazione semplice e quello che ora sembra un intrigante mistero sarà declassato alla categoria di anomalia meteorologica. O forse il fenomeno si rivelerà avere una maggiore importanza di quella che ora possiamo immaginare, sia a causa di qualche proprietà intrinseca che possiede, sia a causa del suo effetto su altri settori di ricerca correlati”.
Con il vantaggio di oltre tre decenni di ricerche relative alla QBO, possiamo ora dire con certezza che la QBO è più di un “fenomeno meteorologico”. Infatti, come dimostrato in questa recensione, la QBO ha un ruolo molto più ampio rispetto a quello immaginato negli anni ’60, sia per le sue caratteristiche intrinseche di dinamica dei fluidi che per la sua rilevanza per le questioni di chimica atmosferica globale e clima.
La QBO è una spettacolare dimostrazione del ruolo delle interazioni tra onde e flusso medio nella dinamica dei fluidi di un’atmosfera stratificata in rotazione. Come argomentato elegantemente da McIntyre [1993], ciò che rende speciale la dinamica di un’atmosfera stratificata in rotazione è l’onnipresente occorrenza di moti ondosi e il fatto che la propagazione e la rifrazione delle onde siano generalmente accompagnate dal trasporto di quantità di moto. La QBO non esisterebbe se non fosse per il trasferimento di quantità di moto da propagazione d’onda e rifrazione. La dipendenza della rifrazione delle onde dal flusso medio fornisce il meccanismo attraverso il quale i flussi di quantità di moto indotti dalle onde nella stratosfera equatoriale possono produrre un feedback sul flusso medio. Nella QBO, non solo le onde oscillanti interagiscono con il flusso medio per produrre una rettificazione del flusso, ma anche il flusso rettificato stesso oscilla su un periodo completamente diverso da quello delle onde motrici.
La Tavola 1 mostra che la QBO (che negli anni ’60 era considerata da alcuni probabilmente un fenomeno transitorio) è una caratteristica persistente della circolazione della stratosfera equatoriale. Abbiamo osservato direttamente 20 cicli completi dell’oscillazione, e ci sono prove indirette che coprono un periodo molto più lungo. Attraverso lo studio delle variazioni a lungo termine del segnale di marea solare semidiurna nella pressione superficiale alle stazioni equatoriali (che è sensibile ai venti zonali nella stratosfera), Hamilton [1983] e Teitelbaum et al. [1995] hanno sostenuto che la QBO deve essere esistita per almeno gli ultimi 120 anni.
Questa natura robusta della QBO suggerisce che fenomeni simili dovrebbero essere presenti su altri pianeti con atmosfere stratificate in rotazione e zone di convezione equatoriale. Infatti, un’oscillazione analoga, l’oscillazione quasi-quadriennale (QQO), è stata documentata nell’atmosfera equatoriale di Giove [Leovy et al., 1991; Friedson, 1999]. La scala meridionale osservata della QQO su Giove (circa 78 gradi) è circa la metà di quella della QBO terrestre. Per i parametri forniti da Friedson, ciò è coerente con la scala di transizione discussa nella sezione 3.1, a condizione che la scala verticale della forzatura sia impostata a 12 km, piuttosto che il valore di 4 km appropriato per la QBO terrestre. McIntyre [1994] ha suggerito che un’oscillazione simile possa verificarsi nell’interno solare.
La possibilità di implicazioni più ampie della QBO per altri settori di ricerca, come suggerito da Reed [1967] nella citazione sopra riportata, si è certamente rivelata vera. Come discusso nella sezione 6.2, l’influenza della QBO sulle variazioni climatiche interannuali nella troposfera e nella stratosfera extra-tropicale è un importante argomento di attuale interesse. Tentativi di comprendere meglio e prevedere tendenze e variabilità dell’ozono atmosferico richiedono un’attenta considerazione degli effetti diretti e indiretti della QBO equatoriale sullo strato di ozono (vedi sezione 5). Pertanto, i modelli di variabilità climatica interannuale e di chimica stratosferica globale dovrebbero entrambi includere gli effetti della QBO, sia esplicitamente che attraverso qualche parametrizzazione.
Purtroppo, la simulazione della QBO rimane una grande sfida per i modelli di circolazione generale. Tali modelli sono attualmente utilizzati per prevedere le tendenze climatiche e la variabilità associata ai cambiamenti indotti dall’uomo nelle concentrazioni di vari gas serra. Eppure, come discusso nella sezione 3.3.2, molti modelli non sono in grado di generare spontaneamente una QBO realistica. L’atmosfera, invece, non ha tali difficoltà. Un scettico potrebbe sostenere che l’assenza di un tale robusto fenomeno dinamico su scala globale dimostra che i modelli sono ancora lontani dalla realtà. Sarebbe più accurato dire che la QBO impone requisiti rigorosi su un modello numerico, richiedendo un metodo computazionale accurato, un’alta risoluzione spaziale e una bassa diffusione. È chiaro anche il bisogno di una parametrizzazione accurata dei flussi di quantità di moto su scala subgriglia.
Gli argomenti presentati sopra suggeriscono che le onde di gravità generate dalla convezione equatoriale siano essenziali per la forzatura della QBO. Ciò implica che, tra le altre cose, è necessaria una migliore modellazione della dinamica dei sistemi convettivi a mesoscala, e delle onde tropicali a scala sinottica nelle quali questi sistemi sono incorporati, se i modelli di circolazione generale (GCMs) devono riprodurre regolarmente le affascinanti interazioni tra onde e flusso medio che risultano nella QBO equatoriale.