THE QUASI-BIENNIAL OSCILLATION

(1.1. The Discovery of the Quasi-Biennial Oscillation; 1.2. The Search for an Explanation of the QBO)

M. P. Baldwin,1 L. J. Gray,2 T. J. Dunkerton,1 K. Hamilton,3 P. H. Haynes,4
W. J. Randel,5 J. R. Holton,6 M. J. Alexander,7 I. Hirota,8 T. Horinouchi,9 D. B. A. Jones,10
J. S. Kinnersley,11 C. Marquardt,12 K. Sato,13 and M. Takahashi14

Abstract. L’oscillazione quasi-biennale (QBO) domina la variabilità della stratosfera equatoriale (;16–50 km) ed è facilmente osservabile come regimi di venti orientali e occidentali che si propagano verso il basso, con un periodo variabile che in media è di circa 28 mesi. Da un punto di vista della dinamica dei fluidi, il QBO è un esempio affascinante di un flusso medio coerente e oscillante che è alimentato da onde in propagazione con periodi non correlati a quello dell’oscillazione risultante. Sebbene il QBO sia un fenomeno tropicale, esso influisce sul flusso stratosferico da polo a polo modulando gli effetti delle onde extratropicali. Infatti, lo studio del QBO è indissolubilmente legato allo studio dei moti ondosi atmosferici che lo alimentano e sono modulati da esso. Il QBO influisce sulla variabilità nella mesosfera vicino agli 85 km selezionando selettivamente le onde che si propagano verso l’alto attraverso la stratosfera equatoriale, e potrebbe anche influenzare l’intensità degli uragani atlantici. Gli effetti del QBO non sono confinati alla dinamica atmosferica. Costituenti chimici, come ozono, vapor d’acqua e metano, sono influenzati dai cambiamenti circolatori indotti dal QBO. Vi sono anche segnali sostanziali del QBO in molti dei costituenti chimici a vita più breve.Attraverso la modulazione della propagazione delle onde extratropicali, il QBO ha un impatto sulla dissoluzione dei vortici polari stratosferici invernali e sulla gravità del depauperamento dell’ozono ad alte latitudini. Il vortice polare nella stratosfera influenza i modelli meteorologici superficiali, fornendo un meccanismo attraverso il quale il QBO può avere un effetto sulla superficie terrestre. Con l’aumento delle fonti di dati (ad esempio, misurazioni della velocità del vento e della temperatura sia da sistemi a terra che da satelliti), gli effetti del QBO possono essere valutati più precisamente. Questa rassegna copre lo stato attuale delle conoscenze sul QBO tropicale, sui suoi effetti dinamici extratropicali, sul trasporto dei costituenti chimici e sugli effetti del QBO nella troposfera (;0–16 km) e nella mesosfera (;50–100 km). Lo scopo è di fornire una panoramica completa del QBO e dei suoi effetti sia ai ricercatori esterni al campo sia come fonte di informazioni e riferimenti per gli specialisti. La storia della ricerca sul QBO viene discussa solo brevemente, e si rimanda il lettore a diversi articoli di revisione storica. La teoria di base del QBO è riassunta e vengono forniti riferimenti tutorial.

INTRODUZIONE 1.1.

La Scoperta dell’Oscillazione Quasi-Biennale

Le prime osservazioni dei venti stratosferici equatoriali furono fatte quando si scoprì che i detriti dell’eruzione del Krakatoa (1883) circondavano il globo da est a ovest in circa 2 settimane; questi venti divennero noti come “correnti orientali di Krakatoa”. (Per una recensione più completa sulla scoperta dell’oscillazione quasi-biennale e sui successivi sviluppi nelle osservazioni e nella teoria, si veda Maruyama [1997] e Labitzke e van Loon [1999].) Nel 1908 il meteorologo tedesco A. Berson lanciò palloni dall’Africa tropicale e scoprì venti che soffiavano da ovest a est a circa 15 km, vicino alla tropopausa, che divennero noti come “correnti occidentali di Berson”. Per quasi 50 anni, ci furono solo sporadiche osservazioni con palloni [Hamilton, 1998a] per contraddire l’esistenza di venti stratosferici equatoriali orientali sovrastanti venti occidentali. (I termini in corsivo sono definiti nel glossario, dopo il testo principale. Il termine meteorologico “correnti orientali” descrive venti che soffiano da est, mentre le “correnti occidentali” soffiano da ovest. Sfortunatamente, i termini est (verso est) e ovest (verso ovest) sono comunemente usati nelle discussioni sulla propagazione delle onde e sul flusso e hanno il significato opposto di orientale e occidentale.)Nel corso di questa recensione utilizzeremo entrambe le descrizioni, come si trovano nella letteratura.) Palmer [1954] utilizzò dati di sondaggi dell’alta atmosfera, raccolti per studiare le ricadute dei test nucleari nelle Isole Marshall, per scoprire che la transizione tra le correnti occidentali di Berson e le correnti orientali di Krakatoa variava di mese in mese e di anno in anno. Tuttavia, i dati non erano sufficienti per mostrare alcuna periodicità. Utilizzando osservazioni dall’Isola di Christmas (2.08N), Graystone [1959] contornò 2 anni di velocità del vento nel piano tempo-altezza, mostrando regimi di vento orientale e occidentale che scendevano gradualmente. La scoperta della QBO (Oscillazione Quasi-Biennale) deve essere attribuita al lavoro indipendente di R. J. Reed negli Stati Uniti e di R. A. Ebdon in Gran Bretagna. In un articolo intitolato “La circolazione della stratosfera” presentato al quarantesimo anniversario dell’incontro della Società Meteorologica Americana, Boston, gennaio 1960, Reed annunciò la scoperta, utilizzando dati rawinsonde (palloncini) a Canton Island (2.88S), di “bande alternate di venti orientali e occidentali che si originano sopra i 30 km e che si muovono verso il basso attraverso la stratosfera a una velocità di circa 1 km al mese.” Reed sottolineò che le bande “appaiono a intervalli di circa 13 mesi, essendo necessari 26 mesi per un ciclo completo.” Questo lavoro fu successivamente pubblicato come Reed et al. [1961].

Ebdon [1960] ha utilizzato anche dati da Canton Island, che coprivano il periodo 1954–1959, per dimostrare che l’oscillazione del vento aveva un apparente periodo di 2 anni. Ebdon e Veryard [1961] hanno utilizzato ulteriori dati da Canton Island (gennaio 1954 a gennaio 1960) a 50 hPa (ettropascal, equivalenti a millibar) per mostrare che il vento oscillava con un periodo di 25–27 mesi, piuttosto che esattamente 2 anni. Essi hanno esteso il precedente studio di Ebdon includendo altre stazioni equatoriali e hanno concluso che le fluttuazioni del vento si verificavano simultaneamente attorno alla cintura equatoriale e stimavano che i regimi del vento (quando i venti equatoriali sono orientali o occidentali) impiegavano circa un anno per scendere da 10 a 60 hPa. Veryard ed Ebdon [1961] hanno esteso questo studio trovando un periodo dominante di 26 mesi e osservando fluttuazioni simili nella temperatura.

Con l’osservazione di un ciclo di periodo più lungo a partire dal 1963, Angell e Korshover [1964] hanno coniato il termine “oscillazione quasi-biennale”, che ha guadagnato accettazione ed è stato abbreviato in QBO. Molti degli aspetti dinamici della QBO sono meglio illustrati da una sezione trasversale tempo-altezza delle medie mensili dei venti zonali (longitudinali) equatoriali (Tavola 1). Idealmente, un tale diagramma sarebbe della media zonale del vento zonale, ma l’approssimativa simmetria longitudinale della QBO [Belmont e Dartt, 1968] permette che le osservazioni di rawinsonde da una singola stazione vicino all’equatore siano sufficienti.I regimi alternati di vento si ripetono a intervalli che variano da 22 a 34 mesi, con un periodo medio di poco più di 28 mesi. Le zone di cisalamento occidentali (nelle quali i venti occidentali aumentano con l’altezza) scendono più regolarmente e rapidamente delle zone di cisalamento orientali. L’ampiezza di circa 20 m s^-1 è quasi costante da 5 a 40 hPa ma diminuisce rapidamente man mano che i regimi di vento scendono sotto i 50 hPa. Le osservazioni di rawinsonde vengono utilizzate fino a 10 hPa e i rocketsonde (razzi meteorologici) vengono utilizzati sopra tale livello. L’ampiezza della QBO diminuisce a meno di 5 m s^-1 a 1 hPa, vicino alla stratopausa. L’ampiezza della QBO è approssimativamente gaussiana intorno all’equatore con una semi-ampiezza di 12° e poca dipendenza di fase dalla latitudine entro i tropici [Wallace, 1973]. Sebbene la QBO non sia decisamente un’oscillazione biennale, c’è una tendenza a una preferenza stagionale nel rovesciamento di fase [Dunkerton, 1990], così che, ad esempio, l’inizio sia dei regimi di vento orientali sia occidentali avviene principalmente durante la tarda primavera dell’emisfero boreale a livello di 50 hPa. Le tre caratteristiche più notevoli della QBO che qualsiasi teoria deve spiegare sono (1) la periodicità quasi-biennale, (2) la presenza di venti zonali simmetrici occidentali all’equatore (la conservazione del momento angolare non consente all’avvezione media zonale di creare un massimo di vento occidentale equatoriale) e (3) la propagazione verso il basso senza perdita di ampiezza.

NorthWest Research Associates, Inc., Bellevue, Washington. 2
Rutherford Appleton Laboratory, Oxon, England, United
Kingdom. 3
International Pacific Research Center and Department of
Meteorology, University of Hawaii, Honolulu, Hawaii. 4
Department of Applied Mathematics and Theoretical
Physics, University of Cambridge, Cambridge, England,
United Kingdom. 5
National Center for Atmospheric Research, Boulder,
Colorado. 6
Department of Atmospheric Sciences, University of Washington, Seattle, Washington.
7
NorthWest Research Associates, Colorado Research Associates Division, Boulder, Colorado. 8
Department of Geophysics, Kyoto University, Kyoto, Japan. 9
Radio Atmospheric Science Center, Kyoto University, Uji,
Japan. 10Division of Engineering and Applied Sciences, Harvard
University, Cambridge, Massachusetts. 11Qwest, Seattle, Washington.
12GeoForschungsZentrum Potsdam, Potsdam, Germany.
13National Institute of Polar Research, Arctic Environment
Research Center, Tokyo, Japan. 14Center for Climate System Research, University of Tokyo, Tokyo, Japan.

La figura mostra una rappresentazione grafica dell’andamento del vento zonale equatoriale (ossia del vento che soffia in direzione est-ovest) a diverse altitudini nel tempo. Ogni “striscia” colorata rappresenta un periodo di tempo, dal 1965 al 1990, e l’asse verticale rappresenta l’altitudine da 0 a 60 km.

1. Pannello superiore (Equatorial Zonal Wind, Deseasoned Monthly Means):
   • Mostra il vento zonale mensile medio con la rimozione del ciclo stagionale (ossia l’effetto delle stagioni).
   • Le zone colorate in rosso rappresentano venti positivi (occidentali o westerly), mentre le zone in blu rappresentano venti negativi (orientali o easterly).
   • Si può osservare che queste bande rosse e blu si alternano e si spostano verso il basso con il passare del tempo, mostrando la caratteristica oscillazione quasi-biennale (QBO) che è stata discussa nei testi precedenti.
   • I dati sono stati raccolti da diversi luoghi, come Canton Island, Gan/Maledive Islands e Singapore per le altitudini inferiori a 31 km, e da Kwajalein e Ascension Island per altitudini superiori a 31 km.
2. Pannello inferiore (Equatorial Zonal Wind, 9-48 Month Bandpass):
   • Questo pannello mostra gli stessi dati del pannello superiore, ma filtrati per conservare solo le oscillazioni che hanno periodi tra 9 e 48 mesi.
   • Ciò serve per mettere in evidenza l’oscillazione quasi-biennale, eliminando le oscillazioni a breve termine o le tendenze a lungo termine.
   • Ancora una volta, si possono vedere le bande rosse e blu che si alternano e si spostano verso il basso.

In sintesi, la figura visualizza in modo grafico la natura oscillante dei venti zonali equatoriali nell’atmosfera, con le bande di venti westerly e easterly che si alternano e si spostano verso il basso attraverso la stratosfera nel corso di diversi anni. Questa è una rappresentazione chiara della QBO e della sua dinamica nel tempo e nell’altitudine.

Questa figura fornisce una panoramica dinamica dell’oscillazione quasi-biennale (QBO) durante l’inverno boreale. Ecco una spiegazione dettagliata:

1. Assi e Riferimenti:
   • L’asse verticale a sinistra rappresenta la pressione atmosferica in hPa (hectopascals) che va da valori molto bassi (parte alta dell’atmosfera) a valori più alti (vicino alla superficie terrestre).
   • L’asse orizzontale inferiore indica la latitudine, con l’Equatore (EQ) al centro, estendendosi sia verso sud (S) che verso nord (N).
   • “Stratopause” e “Tropopause” sono le zone di transizione tra la mesosfera e la stratosfera e tra la stratosfera e la troposfera, rispettivamente.
2. Tropical Waves (Onde Tropicali):
   • Queste onde (rappresentate dalle frecce arancioni) sono fondamentali per guidare la QBO. Includono:
     • Onde di gravità.
     • Onde inerziali di gravità.
     • Onde Kelvin.
     • Onde Rossby-gravity.
   • Queste onde si propagano verso l’alto nell’atmosfera e giocano un ruolo chiave nel determinare la direzione e la forza dei venti nella regione della QBO.
3. Planetary Scale Waves (Onde su Scala Planetaria):
   • Rappresentate dalle frecce viola, queste onde si manifestano a latitudini medio-alte.
   • Sono onde di larga scala che influenzano la dinamica atmosferica a latitudini al di fuori dei tropici.
4. MQBO (Mesospheric QBO):
   • Questa è una manifestazione dell’oscillazione quasi-biennale nella mesosfera, che si trova sopra circa 80 km. È rappresentato dalla grande zona circolare in cima al diagramma.
5. Convection (Convezione):
   • Rappresentato dalle linee a zig-zag alla base del diagramma, indica il movimento verticale dell’aria calda e fredda nella troposfera.
6. Contorni Neri:
   • Questi indicano la differenza tra i venti zonali medi orientali e occidentali durante le diverse fasi della QBO.
   • Le anomalie orientali sono rappresentate in azzurro chiaro e le anomalie occidentali in rosa.
7. Incertezza Osservativa:
   • Si nota che tra circa 50 km e 80 km, i contorni sono tratteggiati. Ciò indica una certa incertezza nelle osservazioni in questa regione.

In sintesi, la figura mostra come varie onde tropicali e su scala planetaria influenzino la dinamica dell’oscillazione quasi-biennale (QBO) nell’atmosfera. Essa fornisce una visualizzazione grafica di come questi processi interagiscono e si influenzano a vicenda in diverse regioni dell’atmosfera e a diverse latitudini.

1.2 La ricerca di una spiegazione del QBO

Al momento della scoperta del QBO, non c’erano osservazioni di onde atmosferiche tropicali e non esisteva una teoria che ne prevedesse l’esistenza. La ricerca di una spiegazione per il QBO ha inizialmente coinvolto una varietà di altre cause: un qualche meccanismo di feedback interno, un periodo naturale di oscillazione atmosferica, un processo esterno o una combinazione di questi meccanismi. Tutti questi tentativi non sono riusciti a spiegare caratteristiche come la propagazione verso il basso e il mantenimento dell’ampiezza del QBO (e quindi l’aumento della densità energetica) man mano che scendeva.

Apparentemente, è necessaria la forzatura da parte di onde asimmetriche zonalmente per spiegare il massimo del vento occidentale equatoriale. Wallace e Holton [1968] hanno tentato di guidare il QBO in un modello numerico attraverso fonti di calore o attraverso onde planetarie extratropicali che si propagano verso l’equatore. Hanno mostrato in modo piuttosto conclusivo che il trasferimento di momento laterale tramite onde planetarie non poteva spiegare la propagazione verso il basso del QBO senza perdita di ampiezza. Hanno fatto la realizzazione cruciale che l’unico modo per riprodurre le osservazioni era avere una forza motrice (una fonte di momento) che si propaga effettivamente verso il basso con i venti equatoriali medi.

Il seminale articolo di Booker e Bretherton [1967] sull’assorbimento delle onde di gravità a un livello critico fornì la scintilla che avrebbe portato a una comprensione di come il QBO viene guidato (vedi Lindzen [1987] per una recensione storica dello sviluppo della teoria del QBO). Fu l’intuizione di Lindzen a rendersi conto che le onde di gravità che si propagano verticalmente potevano fornire la forzatura d’onda necessaria per il QBO. Lindzen e Holton [1968] mostrarono esplicitamente in un modello bidimensionale (2-D) come un QBO potesse essere guidato da uno spettro ampio di onde di gravità che si propagano verticalmente (inclusa la velocità di fase in entrambe le direzioni, verso ovest e verso est), e che l’oscillazione sorgeva attraverso un meccanismo interno che coinvolgeva un feedback bidirezionale tra le onde e il flusso di fondo. La prima parte del feedback è l’effetto del flusso di fondo sulla propagazione delle onde (e quindi sui flussi di momento). La seconda parte del feedback è l’effetto dei flussi di momento sul flusso di fondo. Il modello di Lindzen e Holton rappresentava il comportamento delle onde e il loro effetto sul flusso di fondo attraverso una semplice parametrizzazione. L’oscillazione modellata prendeva la forma di un pattern di venti orientali e occidentali che si propagavano verso il basso. Un importante corollario del lavoro di Lindzen e Holton era che il periodo dell’oscillazione era controllato, in parte, dai flussi di momento delle onde, e quindi era possibile una gamma di periodi. Il fatto che l’oscillazione osservata avesse un periodo vicino a un subarmonico del ciclo annuale era quindi una pura coincidenza.Era un’affermazione audace attribuire la forza motrice del QBO alle onde di gravità equatoriali che si propagano verso est e verso ovest, considerando che la maggior parte delle prove osservative delle onde doveva ancora arrivare. La teoria delle onde equatoriali fu sviluppata per la prima volta alla fine degli anni ’60, in parallelo con la teoria del QBO. Le soluzioni includevano una modalità Rossby e una modalità che divenne nota come la modalità (mista) Rossby-gravità. Una terza soluzione, una modalità di gravità che si propaga verso est, fu chiamata modalità equatoriale Kelvin. Maruyama [1967] mostrò osservazioni coerenti con una modalità Rossby-gravità che si propaga verso ovest. Wallace e Kousky [1968a] furono i primi a mostrare osservazioni di onde Kelvin equatoriali nella bassa stratosfera e notarono che l’onda produceva un flusso ascendente di momento occidentale, che poteva spiegare l’accelerazione occidentale associata al QBO. Una accelerazione netta verso est è contribuita dalle onde Rossby-gravità [Bretherton, 1969].

Holton e Lindzen [1972] hanno perfezionato il lavoro di Lindzen e Holton [1968] simulando, in un modello unidimensionale (1-D), un QBO guidato da onde Kelvin che si propagano verticalmente, le quali contribuiscono con una forza occidentale, e da onde Rossby-gravità, che contribuiscono con una forza orientale. Le ampiezze osservate di queste onde, sebbene piccole, erano presumibilmente (date le scarse osservazioni di onde equatoriali) abbastanza grandi da guidare il QBO. Il meccanismo di Holton e Lindzen è continuato ad essere il paradigma accettato per il QBO per più di due decenni.

Il modello concettuale del QBO, che costituiva la base del modello di Lindzen e Holton [1968], è stato fortemente supportato dall’ingegnoso esperimento di laboratorio di Plumb e McEwan [1978], che utilizzava un fluido stratificato di sale contenuto in un grande anello. Il confine inferiore dell’anello consisteva in una membrana flessibile che oscillava su e giù per produrre onde di gravità che si propagavano verticalmente, viaggiando in senso orario e antiorario intorno all’anello. Per onde di ampiezza sufficiente, veniva stabilito un regime di flusso medio indotto dalle onde, caratterizzato da inversioni periodiche del flusso medio che progredirono verso il basso. Questo esperimento, che rimane uno degli analoghi di laboratorio più drammatici di un flusso geofisico su larga scala, ha dimostrato che il paradigma teorico per il QBO era coerente con il comportamento di un sistema fluido reale.Sebbene le ampiezze osservate delle onde Kelvin e miste Rossby-gravità possano essere sufficienti a guidare un QBO in modelli idealizzati dell’atmosfera, Gray e Pyle [1989] hanno trovato necessario aumentare le ampiezze delle onde di un fattore 3 rispetto a quelle osservate per ottenere un QBO realistico in un modello completo radiativo-dinamico-fotochimico. Dunkerton [1991a, 1997] e McIntyre [1994] hanno sottolineato che il tasso osservato di risalita tropicale (circa 1 km al mese) richiede effettivamente che i regimi di vento del QBO si propaghino verso il basso molto più velocemente di quanto si pensasse, rispetto al movimento dell’aria di fondo, perché l’intera stratosfera tropicale si sta muovendo verso l’alto. Questo fatto raddoppia abbondantemente il trasporto di momento richiesto dalle onde equatoriali che si propagano verticalmente. Le osservazioni indicano che le onde miste Rossby-gravità e Kelvin non possono fornire una forzatura sufficiente a guidare il QBO con il periodo osservato.Dunkerton [1997] ha ragionato che un flusso di momento aggiuntivo deve essere fornito da un ampio spettro di onde di gravità simili a quelle postulate da Lindzen e Holton [1968]. Sebbene il QBO sia un fenomeno tropicale, influisce sulla stratosfera globale, come mostrato per la prima volta da Holton e Tan [1980]. Attraverso la modulazione dei venti, delle temperature, delle onde extratropicali e della circolazione nel piano meridiano, il QBO influisce sulla distribuzione e sul trasporto di costituenti traccianti e può essere un fattore nella deplezione dell’ozono stratosferico. Pertanto, la comprensione del QBO e dei suoi effetti globali è necessaria per gli studi sulla variabilità a lungo termine o sui trend dei gas traccianti e degli aerosol.